A evolução dos mecanismos de comunicação

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Rui Malhó – O papel do Ca na transmissão de informação
A evolução dos mecanismos de comunicação
- O papel do Ca2+ na transmissão de informação -
Rui Malhó
Departamento de Biologia Vegetal, Faculdade de Ciências de Lisboa
Índice
1. Introdução
2. As bases da transmissão de sinais – porquê o Ca2+?
2.1. A importância das ondas e oscilações na homeostase celular
2.2. Sinalização através de ondas de Ca2+
2.3. Restrições à difusão de Ca2+ no citoplasma são a base da formação de ondas
2.4. Porque utilizam as células ondas de Ca2+ para sinalização?
2.5. Locais de iniciação para ondas e oscilações de Ca2+ em células
2.6. Propagação de ondas de Ca2+ no citoplasma
2.7. Que parâmetros de um pico de [Ca2+]c podem ser relacionados com uma resposta fisiológica?
3. A oscilação de Ca2+
3.1. Entrada capacitativa de Ca2+ e sinalização
3.2. A entrada capacitativa de Ca2+ ocorre em células vegetais?
3.3. As oscilações de Ca2+ terão funções celulares para além das desempenhadas pelas ondas?
3.4. As oscilações e os fenómenos rítmicos
3.5. Os osciladores de Ca2+
4. Descodificando a via de sinalização do Ca2+
4.1. Ca2+ e a via dos fosfoinositóis
4.2. Ca2+ e Calmodulina
4.3. Proteínas cinases e fosfatases
5. Regulação espacial do Ca2+ no citoplasma e em organitos
5.1. O núcleo e a regulação da expressão génica
5.2. Mitocôndrias e plastos
6. Sinais de Ca2+ multicelulares
7. A detecção de ondas e oscilações de Ca2+
8. Conclusões
Referências bibliográficas
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1. Introdução
Por definição, um sistema complexo é composto por um número elevado de componentes que,
interactuando entre si, geram uma actividade não-linear com propriedades emergentes (autoorganizativas) não dedutiveis a partir das propriedades dos componentes individuais. Ao aumento
da complexidade está naturalmente associado um aumento da especialização e da cooperação
entre os diversos componentes do sistema.Neste sentido, podemos identificar como sistemas
complexos células, organismos pluricelulares, o sistema nervoso, as interacções sociais, as
infraestruturas de telecomunicações, a própria economia. O interesse no estudo de sistemas
complexos é consequentemente transversal a várias áreas do saber, da Medicina às Ciências
Sociais.
Inerente a qualquer sistema complexo está a transmissão e codificação de informação. A
nível celular, muitos dos sinais (internos ou externos, bióticos ou abióticos) que modificam o
desenvolvimento e a morfogénese dos organismos iniciam alterações nas concentrações
intracelulares de cálcio (Ca2+). O Ca2+ está envolvido nas respostas ao vento, frio, calor,
envelhecimento (senescência), alongamento, hormonas e factores de crescimento entre muitos
outros. Uma compilação detalhada das vias de sinalização intracelular onde o Ca2+ está envolvido
pode encontrar-se nos trabalhos de Trewavas e Malhó (1997) e Webb & colaboradores (Webb et
al., 1996). Estes sinais podem induzir diferentes vias de transdução para mobilizar reservatórios de
Ca2+ espacialmente distintos e com cinéticas diferentes daí resultando uma "assinatura" específica
(Prentky et al., 1998) para cada sinal Como pode uma célula distinguir e interpretar uma tal
diversidade de sinais não é inteiramente conhecido sendo bastante provável que isto reflicta a
complexidade da organização celular. No entanto, estudos recentes trouxeram alguma luz a este
complexo puzle (Malhó, 1999). A nível intracelular, as várias vias de transdução de sinais
apresentam múltiplas interacções, dos organitos à expressão génica, e geram um padrão específico
de alterações no Ca2+ que é por sua vez convertido numa resposta específica. Daí a importância do
mapeamento espacial das proteínas reguladas por Ca2+ e a compreensão do seu papel no controle
da rede de sinais. Neste trabalho revêem-se alguns dos principais mecanismos intracelulares
envolvidos na percepção e transdução de sinais tendo o ião cálcio como elemento central. É dado
ênfase particular a resultados obtidos em células vegetais, tópico onde o autor desenvolve a sua
actividade principal de investigação.
2. As bases da transmissão de sinais – porquê o Ca2+?
No decurso da evolução e provavelmente desde o aparecimento de vida, os iões Ca2+ foram
seleccionados para transmitir informação intra- e inter-células. A escolha deste ião em detrimento
de outros não foi acidental. As proteínas não são suficientemente flexíveis para formar cavidades
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com dimensões que se adaptem a iões mais pequenos que o Ca2+. Para além disso, e devido ao
seu elevado raio e número variável de ligações, o ião Ca2+ pode adaptar-se a locais de ligação com
formas irregulares. Assim, os iões Ca2+ são ideais para estabelecer complexos específicos mas
reversíveis com as proteínas, ambos requerimentos essenciais para funcionar como um mensageiro
intracelular. Uma vez que o Ca2+ é também tóxico, as células tem de manter uma baixa
concentração de Ca2+ livre no citossol ([Ca2+]c); ~ 100-200 nM em condições de repouso. Estes
valores bastante reduzidos significam que, na regulação de uma enzima por exemplo, apenas uma
parcela bastante pequena de iões necessita de ser deslocada o que acarreta baixos custos
energéticos. Assim, após recepção de um sinal, um aumento transiente na [Ca2+]c para ~1-2 µM
pode activar/inactivar numerosos processos metabólicos. Esta forma de transiente de [Ca2+]c é
frequentemente descrita por um pico único ("spike"). Mesmo os picos de Ca2+ apresentam padrões
temporais e espaciais relativamente complexos e os mecanismos que os geram apenas agora
começam a ser compreendidos.
A existência de oscilações de [Ca2+]c, ondas e vários sub-derivados (Lechletter et al., 1991;
Woods et al., 1986) revela a complexidade que a sinalização por iões Ca2+ pode atingir em células
individuais. Por exemplo, uma elevada frequência de oscilações pode dar lugar a um gradiente
permanente de [Ca2+]c numa determinada zona da célula. A transmissão de sinais entre células
pode gerar ondas de Ca2+ (Boitano et al., 1992) e foi já proposto que a sincronização de oscilações
ao nível tecidual pode ser conseguida por células "pacemaker". Ondas, oscilações e gradientes
foram observados em numerosos tipos de células e tem de ser reconhecidos como a forma primária
de comportamento temporal nos sinais de [Ca2+]c.
2.1. A importância das ondas e oscilações na homeostase celular
Todos os items na natureza estão envolvidos em redes de controlo. É igualmente verdade, embora
menos óbvio, que todo o objecto é ele próprio o resultado de interacções de redes de controlo
internas. Em qualquer dos casos, existe uma combinação de um determinado número de processos
dinâmicos para produzir um estado mais ou menos estável – em geral uma oscilação. A relevância
biológica da dinâmica oscilatória está relacionada com os processos físicos de auto-organização
comuns à maioria dos sistemas complexos (Meinhardt, 1996). Em termos biológicos, isto representa
o repôr de um estado dinâmico prévio após uma perturbação transiente. As oscilações também
promovem a sincronização global de processos independentes e podem levar à formação de
padrões espaciais coerentes, nomeadamente ondas químicas (Scott, 1994). A expressão desta
complexidade juntamente com as cascatas de percepção e transdução de sinais deve
desempenhar um papel fundamental na emergência do fenótipo (Trewavas & Malhó, 1997). Uma
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das consequências desta regulação "partilhada" é uma maior plasticidade, mais estabilidade e
robustez na presença de flutuações estocásticas de condições ambientais.
2.2. Sinalização através de ondas de Ca2+
Em 1978, Gilkey & colaboradores (1978) observaram que transientes únicos de [Ca2+]c eram
induzidos pela entrada de esperma no óvulo de Medaka. Através de técnicas de imagiologia por
luminescência, estes autores verificaram que os transientes de [Ca2+]c "codificavam" uma onda de
Ca2+ que atravessava o ovo em cerca de 1 minuto. A iniciação da onda dava-se no local de entrada
do esperma e a sua propagação faz-se na zona cortical imediatamente abaixo da membrana
plasmática. Concomitante com a onda de Ca2+, regista-se uma onda de fusão de vesículas corticais
com a membrana impedindo a polispermia. Estas primeiras observações descrevem alguns
aspectos básicos das características espaciais e temporais da sinalização por [Ca2+]c e tornaram
evidente que alterações espacialmente localizadas do [Ca2+]c são importantes para elicitar
respostas fisiológicas.
Este sinal de [Ca2+]c no ovo de Medaka apresenta características que podem ser
categorizadas (1). A onda inicia-se num local celular definido. (2). É necessário que haja uma
amplificação do [Ca2+]c na zona de iniciação para formar uma onda. (3). Uma região espacialmente
localizada de alto [Ca2+]c ocorre na própria onda. (4). Uma vez que a onda não pode ser transmitida
por difusão (ver §2.3), tem de representar um processo contínuo de libertação / re-incorporação em
depósitos internos; normalmente designado por aumento regenerativo. Numerosas ATPases e
proteínas com ligação ao Ca2+ são responsáveis pela reposição de baixos valores de [Ca2+]c. (5).
Um padrão temporal pode ser reconhecido à medida que a onda se move de uma extremidade da
célula para outra; um período refractário na libertação de Ca2+ dos compartimentos intracelulares é
pois essencial para a propagação da onda.
2.3. Restrições à difusão de Ca2+ no citoplasma são a base da formação de ondas
A existência de elevadas concentrações no citoplasma de tampões de Ca2+ endógenos, limita o seu
grau de difusão a alguns micra. Medições em células animais indicam que o coeficiente de difusão
intracelular do Ca2+ é cerca de 10-1000 inferior ao registado em água (Allbritton et al., 1992; von
Tscharner et al., 1986). Assim, na ausência de ligações a proteínas e acumulação em organitos,
qualquer aumento na [Ca2+]c seria imediata e uniformemente distribuída pelo citossol. Neste caso,
ondas de Ca2+, gradientes e oscilações nunca se poderiam formar. Uma vez que ondas, gradientes
e oscilações de [Ca2+]c foram já detectados em células vegetais, fungos e leveduras, as mesmas
restrições observadas para as células animais devem existir também no citoplasma destas células e
são provavelmente ubíquas.
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Muitas das proteínas que estão ligadas ao citosqueleto ligam-se igualmente ao Ca2+. A
concentração destas proteínas foi estimada na ordem do 1 mM (von Tscharner et al., 1986) mas as
suas possíveis alterações na força de ligação e concentração após sinalização são ainda
largamente desconhecidas. Mitocôndrias, retículo endoplasmático (RE), plastos e vacúolos podem
acumular Ca2+ do citossol utilizando bombas de Ca2+ específicas (ATPases) e assim actuar como
locais de armazenamento intracelular (Liang et al., 1997). Cada um destes organitos possui canais
que podem libertar Ca2+ após recepção de sinais específicos. Restrições adicionais à difusão do
Ca2+ podem assim ser exercidas por estes organitos.
A transmissão do sinal para diferentes regiões celulares pode ser conseguida ou por (1)
distribuição difusional do mensageiro secundário mobilizador de Ca2+ ou (2) libertação regenerativa
de Ca2+. Assim, a distribuição subcelular dos reservatórios de Ca2+ e sua actividade inerente, pode
determinar a organização espacial do sinal de [Ca2+]c. Isto é particularmente relevante nas células
com crescimento apical onde a existência de um gradiente apical de [Ca2+]c sobrepõe-se
espacialmente com uma região celular onde os "grandes" organitos estão praticamente ausentes
(ver Figura 1).
Quer em células animais, quer em células vegetais, foram já localizados transportadores de
Ca
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em praticamente todas as membranas (ver Figura 2) (Webb et al., 1996; Thuleau et al., 1998].
Os canais iónicos localizados no RE, tonoplasto e membrana plasmática são responsáveis pela
maioria das currentes de Ca2+ dirigidas para o interior das células. No entanto, alguns dados
sugerem que uma porção significativa do influxo de [Ca2+]c para o citossol pode ter origem em
outros compartimentos que não apenas os indicados (Muir & Sanders, 1997).
2.4. Porque utilizam as células ondas de Ca2+ para sinalização?
Porque utilizam as células ondas de Ca2+ com uma estrutura espacial definida ao invés de simples
aumentos da concentração de [Ca2+]c ? Várias razões podem ser adiantadas para explicar este
facto. (1). A onda, que ocupa apenas parte do citoplasma, pode amenizar os custos energéticos
envolvidos na libertação e reincorporação de Ca2+. (2). Se a frequência de informação puder ser
interpretada, a repetição de ondas pode ser percebida pela célula contra um fundo com ruído
efectivo zero. (3). A escolha entre ondas, gradientes, oscilações ou mesmo simples aumentos na
concentração, aumenta consideravelmente a diversidade na transmissão de informação disponível
para células individuais. As oscilações aumentam a diversidade da sinalização por Ca2+ disponível
para as células e muitos sistemas excitáveis apresentam a capacidade de responder a
perturbações gerando oscilações na concentração de um elemento chave. (4). O Ca2+ é tóxico a
concentrações elevadas. As células podem interpretar oscilações de elevado [Ca2+]c como um
aumento contínuo sem que isso implique a manutenção de concentrações elevadas e danosas. (5).
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O movimento de uma onda pode ser restringido a uma região da célula pela regulação espacial de
factores envolvidos na sua produção. Diferentes regiões do citoplasma podem então ser reguladas
distintamente e processos fisiológicos distintos podem ser controlados na mesma célula, ao mesmo
tempo, pelo mesmo ião. Proteínas efectoras da resposta de Ca2+ (por exemplo calmodulina e
proteínas cinases) podem estar localizadas em regiões específicas da célula na forma de
"transducons" (Trewavas & Malhó, 1997). Tais estruturas aumentarão consideravelmente a
selectividade do sinal e da respectiva resposta. Evidência experimental para a existência de tais
entidades foi recentemente publicada (Tsunada et al., 1997; Hall, 1998). (6). Uma onda pode ser a
forma mais adequada de um sinal de Ca2+ atingir o núcleo e assim modificar a expressão génica
(Lipp et al., 1997).
2.5. Locais de iniciação para ondas e oscilações de Ca2+ em células
As células utilizam dois locais para iniciar sinais de Ca2+; entrada de Ca2+ através da membrana
plasmática e libertação de compartimentos intracelulares. Ambos podem actuar para iniciar sinais
localizados ao nível do citoplasma.
À presente data, o nosso conhecimento sobre canais de Ca2+ localizados na membrana
plasmática de células animais é vasto. Em contrapartida, dados análogos em células vegetais são
ainda escassos. Indicações claras que estes canais existem são derivadas de estudos em vários
tipos de células, nomeadamente tubos polínicos. Os tubos polínicos são células altamente
diferenciadas e de crescimento rápido. O crescimento, gerado pela fusão de vesículas contendo
material de construção de parede, é confinado à zona apical. Estas células requerem Ca2+
extracelular numa concentração bem definida. Estudos com microscopia de fluorescência e rácio de
imagens revelaram que os tubos polínicos apresentam um gradiente de Ca2+ bastante acentuado (2
mM - 200 nM) que se restringe a uma zona apical de 15-20 µm (Malhó et al., 1994; Pierson et al.,
1996). Quando o crescimento cessa (ou é temporariamente interrompido) esse gradiente dissipa-se
e, em caso de recuperação, é re-estabelecido (Malhó et al., 1995; Pierson et al., 1996). O gradiente
oscila com uma periodicidade semelhante às variações nas taxas de crescimento (Messerli &
Robinson, 1997). Experiências com a técnica de "patch clamp" e quelação de Mn2+ sugerem que o
influxo de Ca2+ é mediado pela existência de um gradiente de actividade de canais activados por
tensão ou mecano-sensíveis (Taylor et al., 1996; Watts et al., 1998). Em tubos polínicos com
comprimento superior a 1 mm, este influxo de Ca2+ extracelular ocorre de uma forma oscilatória mas
desfasada (~ 5 segundos) com as oscilações registadas no gradiente interno de [Ca2+]c (HoldawayClarke et al., 1997). Esta aparente discrepância entre oscilações pode resultar do movimento
directo de Ca2+ extracellular para o RE de onde é posteriormente libertado de forma pulsátil, ou da
ligação do Ca2+ à parede celular recentemente secretada (Holdaway-Clarke et al., 1997). Baixas
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concentrações dos inibidores de canais iónicos, La3+ ou Gd3+, diminuem ligeiramente as taxas de
crescimento mas bloqueiam completamente a reorientação dos tubos polínicos em resposta a
campos eléctricos externos (Malhó et al., 1994). É pois possível que neste processo estejam
envolvidos vários tipos de canais.
Taylor & colaboradores (1996), utilizando técnicas de microcirurgia laser e "patch clamp",
detectaram canais iónicos sensíveis à voltagem e à tensão na membrana plasmática do ápice de
rizóides de Fucus. Estes canais são activados em resposta a choques hipo-osmóticos. Uma onda
de [Ca2+]c é induzida por este sinal osmótico e, como resultado, ocorre uma resposta osmoadaptativa. Estudos paralelos com Mn2+ confirmaram a identidade e localização destes canais,
situação análoga àquela verifica em pêlos radiculares (Wymer et al., 1997).
A identidade das canais intracelulares que actuam como um local de iniciação está
relativamente bem estabelecida. O Inositol 1,4,5-trifosfato [Ins(1,4,5)P3] e ADP-ribose cíclico (cADPR) são mensageiros secundários sintetizados por enzimas após recepção de sinais. Após ligação a
estas moléculas, canais intracelulares de Ca2+ são activados. Em células epiteliais, picos repetitivos
de Ca2+ estão correlacionados com a localização de receptores de Ins(1,4,5)P3 em vesículas apicais
(Yamamoto-Hino et al.,1998). Em células vegetais, canais de Ca2+ sensíveis ao (1,4,5)InsP3 e
inibidos por heparina foram já identificados no tonoplasto. Uma segunda classe de canais de Ca2+
sensíveis ao cADP-R e bloqueados por rianodina foi também caracterizada (Allen et al., 1995). Para
além disso, foram também identificados canais activados pelo próprio Ca2+ (Ward et al., 1995), e
activados por voltagem no vacúolo (Ward et al., 1995) e no RE (Klusener et al., 1995).
Ondas de Ca2+ foram já registadas em tubos polínicos mas apenas quando induzidas por
fotólise global de (1,4,5)InsP3 aprisionado (Franklin-Tong et al., 1996) ou de Ca2+ aprisionado
(Malhó & Trewavas, 1986). Estas ondas tem como local primordial de iniciação a zona
nuclear/reticular, mas não a zona apical, sugerindo a existência de uma regulação assimétrica.
Estas observações estão de acordo com a cinética dos receptores de Ins(1,4,5)P3 que é
profundamente afectada pelo Ca2+ (Dawson, 1997); concentrações elevadas de [Ca2+]c inibem o
receptor de (1,4,5)InsP3 e a libertação torna-se auto-limitadora. Uma vez que o vacúolo se confina à
parte posterior do tubo polínico, a sua participação na iniciação destas ondas não deve ser crucial.
As células estomáticas são induzidas a fechar pelo aumento das concentrações intra e
extracelulares de Ca2+ (Gilroy et al., 1990; McAinsh et al., 1995). Este aumento inicia uma onda na
proximidade do núcleo/RE (Gilroy et al., 1991). Reduções na concentração de K+ extracelular
também causam um fecho dos estomas mas neste caso verificou-se apenas a formação de ondas
truncadas com origem no tonoplasto. Isto sugere que a iniciação das ondas pode requerer a
presença simultânea de Ca2+ extracelular. A corroborar esta hipótese, verificou-se que células
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estimuladas hipo-osmoticamente apenas geravam um pico de Ca2+ quando este era adicionado ao
meio de cultura (Takahashi et al., 1997).
2.6. Propagação de ondas de Ca2+ no citoplasma
O mecanismo de propagação de ondas tem gerado um considerável número de estudos em células
animais. Uma das características mais interessantes das ondas de Ca2+ reside no facto de, apesar
de se propagarem em meios de enorme complexidade, as suas propriedades podem ser descritas
com relativa facilidade por modelos físicos e matemáticos (Dupont et al., 1991; Tang & Othmer,
1995). Em células animais, e provavelmente também em vegetais, as ondas de Ca2+ são
caracterizadas por: (1) velocidade de propagação, (2) constante de difusão, (3) raio mínimo de
propagação, e (4) amplitude constante durante a propagação.
A formação de uma onda resulta da integração de uma série de eventos sub-limitantes que,
quando analisados separadamente podem ser descritos como ondas abortivas. Quando as células
são estimulas de forma fraca ou são inerentemente excitáveis (neurónios por exemplo), observamse frequentemente pequenas elevações de [Ca2+]c circunscritas a uma determinada região da
célula. Estas regiões tem designações pitorescas mas descritivas das suas dimensões: "quarks",
"blips", "bumps", "puffs" e "sparks" (por ordem de dimensão). Todas são vistas como zonas
elementares da sinalização por Ca2+, capazes de libertar uma determinada quantidade de Ca2+
quando activadas (Dawson, 1997). A maior parte tem origem no RE e podem ser vesículas ou
estruturas tubulares do RE/Golgi (ERGICs) sendo que um "quark" representa um único receptor de
(1,4,5)InsP3 (ou cADP-R) e os restantes são conglomerados de dimensões crescentes. Se o sinal
inicial ao nível da membrana plasmática é fraco, apenas baixas concentrações de (1,4,5)InsP3 são
geradas. Poucas unidades libertam Ca2+ e o recrutamento de unidades adicionais é truncado;
atinge-se no máximo uma dimensão de "blips", "puffs" ou "sparks". Quando o estímulo inicial é
intenso, as diferentes unidades coalescem e formam uma onda. Desta forma a onda resulta de uma
libertação de Ca2+ induzida por Ca2+ (CICR). Nas muitas medições de [Ca2+]c que tem sido feitas em
células vegetais Gilroy et al., 1991; Malhó et al., 1995; Shacklock et al., 1992) é frequente a
ocorrência de pequenas áreas de elevado [Ca2+]c e que podem ser o equivalente das unidades de
libertação descritas nas células animais.
O tipo de ondas mais comum nas células é dependente do (1,4,5)InsP3. A libertação do Ca2+
depende da ligação do (1,4,5)InsP3 e do próprio Ca2+ ao receptor do (1,4,5)InsP3. Para
concentrações de [Ca2+]c na ordem dos 100nM-5mM, e na presença de (1,4,5)InsP3, a libertação de
Ca2+ é iniciada; a ligação do (1,4,5)InsP3 "abre" o local de libertação do Ca2+. Se o Ca2+ não se liga
ao receptor num determinado período de tempo, então o receptor é inactivado. A activação do canal
é assim controlada por um mecanismo de "coincidência" (Dawson, 1997). A restrita difusão do
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[Ca2+]c libertado pode activar receptores adjacentes e assim recrutá-los para a unidade de
libertação. No entanto, a densidade dos receptores de (1,4,5)InsP3 (uma família de proteínas e não
apenas um único tipo) bem como a sua sensibilidade ao Ca2+, é variável e pode ser alterada por
fosforilação. Estas variações podem assegurar uma activação estocástica das unidades de
libertação.
O método mais comum para detecção destas unidades baseia-se na fotólise de (1,4,5)InsP3
aprisionado em células contendo EGTA para restringir o movimento do Ca2+ (Horne & Meyer, 1997).
As ondas podem também ser induzidas por um análogo do (1,4,5)InsP3, (1,4,5)InsP3-S, que é
resistente a fosfatases que normalmente hidrolisam o inositol. Com este composto foi determinado
que variações espaciais na concentração de (1,4,5)InsP3 não são essenciais para a formação de
ondas. Os requisitos mínimos para a libertação de Ca2+ oscilatória são a regulação do receptor de
(1,4,5)InsP3 por [Ca2+]c a níveis constantes de (1,4,5)InsP3 (Hajnóczky & Thomas, 1997).
O mecanismo acima descrito explica alguns dos aspectos fundamentais da sinalização por Ca2+.
Em primeiro lugar, o número de unidades recrutadas é proporcional à intensidade do sinal;
variações em amplitude nos transientes de [Ca2+]c é assim explicada. Em segundo lugar, explica
como os 2 componentes (1,4,5)InsP3 e Ca2+ podem, em parte, compensar o outro. A baixas
concentrações de (1,4,5)InsP3 o sinal pode ser despoletado por Ca2+ elevado e vice-versa. Assim, a
sinalização por canais intracelulares será normalmente iniciada por um aumento na concentração
de (1,4,5)InsP3 utilizando valores basais de Ca2+. De forma análoga, a abertura de canais na
membrana plasmática aumentará o [Ca2+]c sem alterar os níveis de (1,4,5)InsP3. Este último
mecanismo é auxiliado pela presença da enzima fosfolipase C na membrana plasmática - gera
(1,4,5)InsP3. O padrão de recrutamento de unidades de libertação intracelulares ou da membrana
plasmática será assim diferente porque os sinais emergem em diferentes regiões da célula
(Golovina & Blaustein, 1997). Dependerá igualmente da célula em questão e dos estímulos a que
ela anteriormente foi sujeita. Em tubos polínicos, ondas de [Ca2+]c podem ser geradas pela fotólise
de Ca2+ ou (1,4,5)InsP3 aprisionados. Em ambos os casos, os níveis basais de ambos são
suficientes para compensar alterações do outro (Malhó & Trewavas, 1986). Níveis substanciais de
(1,4,5)InsP3 e fosfolipase C foram já detectados neste tipo de células e a libertação de (1,4,5)InsP3
na presença de heparina induz apenas ondas truncadas (Franklin-Tong et al., 1996). Alterações do
potencial de membrana induzidas por iontofórese leva à abertura de canais sensíveis à voltagem e
conduz a aumentos na [Ca2+]c (Malhó et al., 1994, 1995).
2.7. Que parâmetros de um pico de [Ca2+]c podem ser relacionados com uma resposta
fisiológica?
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A irrigação de plântulas de tabaco com água a 5° C a intervalos de 10 segundos (van der Luit et al.,
1999) causa um simples transiente de [Ca2+]c. Apesar de o estímulo (frio) ser prolongado, a
resposta é transiente (cerca de 20 segundos). Três características principais podem ser
reconhecidas nesta resposta; o tempo de resposta, a amplitude do pico, e o tempo de reposição
dos valores basais. O tempo de resposta representa um período em que o recrutamento de
unidades de libertação é superior à incorporação de Ca2+ nos compartimentos intracelulares. A
amplitude máxima representa o ponto em que a libertação e a incorporação se igualaram. Em todos
os sinais observados o tempo de reposição é consideravelmente superior ao tempo de resposta.
Curiosamente, o nível basal atingido após sinalização pode ser 2-3 vezes superior ao inicial e assim
permanecer durante longos períodos de tempo. Uma alteração nas concentrações dos locais de
ligação ao Ca2+ (talvez induzida por fosforilação) pode ser responsável por esta observação e
sugere a existência de um período refractário após sinalização (Gong et al., 1998).
Pode algum aspecto deste sinal de [Ca2+]c ser relacionado com um evento fisiológico? Muito
dependerá da complexidade dos eventos a jusante do sinal de [Ca2+]c, dos limites de detecção e
das interacções com outras vias de sinalização. A área definida pelo transiente, i.e. [Ca2+]c x tempo,
poderá representar a medição mais útil, em particular se os sinais apresentarem diferentes
cinéticas. Dados recentes (Dolmetsch et al., 1997) sugeriram que o tempo de resposta, amplitude e
tempo de reincorporação são elementos cruciais para a sinalização. Neste estudo verificou-se que
ao mimetizar partes do transiente com o ionóforo A23187, diferentes zonas do transiente eram
sucessivamente responsáveis pela translocação de proteínas, fosforilação e expressão génica. Um
outro trabalho (van der Luit et al., 1999) sugere que a área do transiente ([Ca2+]c x tempo) no Ca2+
nuclear mas não no citossólico, é correlacionável com alterações da expressão de genes da
calmodulina.
3. A oscilação de Ca2+
O tipo mais comum de oscilações de [Ca2+]c descrito em células (animais e vegetais) são
transientes simples ou picos (Malhó, 1999). Neste tipo de oscilação, o aumento do [Ca2+]c é uma
função da intensidade do estímulo. Os mecanismos pelo qual as oscilações são geradas em células
animais (por exemplo abertura de canais e/ou abertura de compartimentos intracelulares; Thomas
et al., 1996) foram já descritos em plantas (Webb et al., 1996). Em células animais, três outros tipos
de oscilações foram já descritas: reguladas por proteína cinase C (PKC), activadas por tapsigargina,
e activadas por acetilcolina ou colecistocinina. Nenhum destes mecanismos foi ainda demonstrado
em células vegetais embora alguns estudos recentes sugiram a existência de uma proteína tipo
PKC (Subramanian et al., 1997).
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Rui Malhó – O papel do Ca na transmissão de informação
Oscilações de Ca2+ foram pela primeira vez observadas em coleóptilos (Felle, 1988) em
resposta a auxinas. Oscilações curtas em resposta a ABA foram também descritas em estomas
(Fricker et al., 1990; McAinsh et al., 1995) com uma frequência na ordem dos vários minutos.
Oscilações espacialmente confinadas ao citoplasma rodeando o núcleo foram também induzidas
em pêlos radiculares em resposta a factores Nod (Ehrhardt et al., 1996). Uma correlação entre
tubos polínicos exibindo um crescimento ondulatório e o gradiente de [Ca2+]c na zona apical foi
também observada (Malhó & Trewavas, 1986). Picos repetitivos de [Ca2+]c foram registados em
raízes de Arabidopsis sujeitas a condições anaeróbicas enquanto exposição a luz induz o
aparecimento de oscilações circadianas (Sedbrook et al., 1996). Oscilações do Ca2+ cloroplastidial,
[Ca2+]chl, apresentam também um ritmo circadiano quando transferidas da luz para a escuridão
(Johnson et al., 1995). O [Ca2+]c pode assim oscilar com frequência variável após estímulos
químicos ou físicos.
As células de uma mesma população podem ter diferentes graus de sensibilidade ao mesmo
estímulo (Trewavas & Malhó, 1997). É assim possível antever um mecanismo pelo qual o mesmo
estímulo pode desencadear diferentes respostas de sinalização. Apesar de ser tentador propor uma
teoria unificadora da sinalização por Ca2+, os factos que suportariam tal teoria podem não ser os
mesmos para todas as células. A curvatura das ondas e a formação de ondas espiraisdependem,
entre outros factores, da dimensão e forma das células; ondas espirais não devem ser um
fenómeno muito frequente embora possam estar presentes em tubos polínicos e serem
responsáveis pelo aspecto ondulante de alguns tubos. Ondas de propagação linear, por sua vez,
devem ser uma característica intrínseca a todas as células. Experiências com Ca2+ aprisionado em
tubos polínicos apoiam esta hipótese (Malhó & Trewavas, 1986); o facto de as células responderem
ao estímulo com um pico de Ca2+ não é uma simples coincidência mas a confirmação de um
sistema biológico complexo, robusto e auto-regulável.
3.1. Entrada capacitativa de Ca2+ e sinalização
Uma das vias para a entrada de Ca2+ na célula é regulada pela capacidade que os reservatórios
intracelulares apresentam para armazenar Ca2+. A entrada de Ca2+ cessa quando os reservatórios
estão cheios e recomeça assim que eles são descarregados. Este comportamento pode ser
considerado análogo a um capacitador eléctrico e daí a designação de entrada capacitativa
(Berridge, 1995).
Os canais de Ca2+ que são responsáveis pela entrada capacitativa (ICRAC de "Ca2+ releaseactivated-Ca2+ channel") tem uma taxa de fluxo várias ordens de grandeza inferior aos canais que
são sensíveis ao (1,4,5)InsP3 ou à voltagem. A entrada capacitativa pode ser induzida de várias
formas nomeadamente, activadores da mobilização de Ca2+, (1,4,5)InsP3, cADP-R, ionóforos,
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Rui Malhó – O papel do Ca na transmissão de informação
tapsigargina, ácido ciclopiazónico ou ainda na ausência de Ca2+. De uma forma geral, qualquer sinal
que leve à descarga dos reservatórios desencadeia o processo de reincorporação e a entrada
capacitativa.
As oscilações de [Ca2+]c podem ser esperadas se ocorrer um atraso entre a descarga e a
reincorporação. Quais os mecanismos ou sinais que permitem então a activação de ICRAC? Uma
associação próxima entre os receptores de (1,4,5)InsP3 do RE e os canais ICRAC da membrana
plasmática é a explicação mais aceite (Berridge, 1995).
3.2. A entrada capacitativa de Ca2+ ocorre em células vegetais?
As ráfides são células especializadas que acumulam Ca2+ na forma de cristais de oxalato e desta
forma dão-nos uma indicação visível do Ca2+ armazenado. O cristal de oxalato cresce normalmente
dentro do vacúolo. As ráfides contém calsequestrina, uma proteína do RE com alta capacidade de
ligação ao Ca2+ mas de baixa afinidade (Franceschi et al., 1993). Também células do mesófilo
(Borchert, 1995) e de raízes (Franceschi, 1989) podem ser convertidas em "acumuladores" de Ca2+
se forem incubadas em 4-5 mM acetato de Ca2+; remoção completa do Ca2+ extracelular leva à
dissolução dos cristais em cerca de 3 horas. Antagonistas da calmodulina inibem a formação de
cristais e promovem a sua dissolução mesmo na presença de Ca2+ (Franceschi, 1989). Estes
antagonistas inibem as ATPases necessárias para bombear o Ca2+ de volta aos reservatórios e
actuam como a tapsigargina. Assim, as ráfides e outras células menos especializadas partilham os
mesmos mecanismos destinados a manter a homeostase no que diz respeito às concentrações de
Ca2+. Nas plantas carnívoras Sarracenia purpurea a remoção de Ca2+ do fluido extracelular leva a
um efluxo de Ca2+ até se atingir um equilibrio na ordem dos 50-100 µM. Se, em contraste, um
excesso de Ca2+ for adicionado ao fluido, as células removem-no até se atingir novamente o
equilibrio nos 50-100 mM (Meir et al., 1991). Estas observações indicam que os reservatórios de
Ca2+ estão em "comunicação" com o meio extracelular, tal como é necessário para se registar uma
entrada capacitativa de Ca2+.
Tal como foi já referido, a intensidade do gradiente apical de [Ca2+]c que existe nas células
com crescimento apical parece estar directamente relacionada com as taxas de crescimento dessas
células (Pierson et al., 1996; Wymer et al., 1997). No entanto, isto é válido apenas dentro do mesmo
tipo de células. Por exemplo, a confiar nas estimativas da concentração de [Ca2+]c com as técnicas
de imagiologia, os tubos polínicos apresentam um gradiente idêntico ao observado em pêlos
radiculares (~800 µM nos primeiros 15-20µm) mas taxas de crescimento 10 vezes superiores.
Assim, parece improvável que o influxo de Ca2+ através da membrana plasmática seja ditado
apenas pela velocidade de crescimento. Trewavas e Malhó (1997) sugeriram que os canais iónicos
no ápice destas células sejam regulados pela concentração de Ca2+ presente nos reservatórios
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internos. Dados não publicados (Malhó) com ácido ciclopiazónico (liberta Ca2+ dos reservatórios)
revela que quando este químico é aplicado duma forma localizada atrai os tubos polínicos o que
corrobora a hipótese de entrada capacitativa. Contra esta hipótese está o facto de que perfis de RE
não são abundantes na zona apical (Miller et al., 1996). Num estudo combinando medições de Ca2+
intracelular e fluxos de Ca2+, foi registado uma aparente discrepância entre os valores internos e os
fluxos externos sendo estes últimos uma ordem de grandeza superiores ao necessário para manter
o gradiente intracelular (Holdaway-Clarke et al., 1997). Baseado nestas observações, foi sugerido
que a parede celular poderia actuar como um tampão para o Ca2+; pectinas metilesterases,
responsáveis pelas ligações das pectinas não esterificas, controlariam a concentração de locais de
ligação para o Ca2+. No entanto, medições deste mesmo gradiente com a proteína bioluminescente
aequorina (Messerli & Robinson, 1997) sugerem que os valores intracelulares na zona apical
estimados com fluorocromos estão sub-estimados cerca de uma ordem de grandeza. A confirmação
destes dados inviabilizaria a hipótese da parece celular. Contudo, as duas hipóteses não se
excluem mutuamente. É bastante plausível que exista uma comunicação intracelular entre
reservatórios internos, membrana plasmática e parede celular que funcione conjuntamente na
regulação de canais membranares. Isto poderia ser conseguido através da associação de proteínas
em complexos "transducon" (Trewavas & Malhó, 1997).
3.3. As oscilações de Ca2+ terão funções celulares para além das desempenhadas pelas
ondas?
As oscilações sinusoidais observadas nas taxas de crescimento dos tubos polínicos (Pierson et al.,
1995) precedem em cerca de 5-10 segundos as oscilações de [Ca2+]c (Messerli & Robinson, 1997).
No entanto não há diferença significativa nas taxas médias de crescimento entre tubos que oscilam
e aqueles que não o fazem. Para além disso, os tubos podem crescer sem qualquer alteração
visível na ausência de oscilações (Messerli & Robinson, 1997). Assim sendo, poderemos questionar
se as oscilações terão algum significado especial ou se serão apenas uma característica "built-in"
que surge apenas em determinadas condições. A forma de resolver esta questão é impôr
oscilações artificiais, isto é, criar diferentes padrões de frequência nas elevações de Ca2+. Em
neurónios, estas oscilações artificiais revelaram-se suficientes para promover diferenciação celular
(Gu & Spitzer, 1995). Em tubos polínicos, contudo, a morfogénese não é manifestamente
controlada pela frequência das oscilações; a forma do tubo é a mesma em todas as espécies
independentemente da presença de oscilações. Mas a questão pode ser colocada em termos
opostos: pode a polaridade ser modificada ao impôr às células uma frequência de oscilação
diferente da endógena ? Num trabalho recente (Malhó et al., 2000) oscilações artificiais foram
geradas em tubos polínicos através da aplicação de pequenos pulsos eléctricos. Cinco pulsos foram
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aplicados a intervalos de 25 segundos, uma frequência duas vezes superior à endógena. Em
consequência, ~ 20% dos tubos perderam a polaridade tendo o crescimento apical sido substituído
por uma expansão isodiamétrica e dissipação do gradiente de [Ca2+]c. Obviamente, o significado
fisiológico desta experiência é reduzido. A aplicação de campos eléctricos é um estímulo sem
equivalente directo in vivo e não sabemos quais as alterações metabólicas induzidas pelo estímulo.
No entanto, os dados sugerem que a polaridade pode ser quebrada através da modificação da
frequência natural de oscilação. Foi também proposto que a produção de verticilos em Acetabularia
pode ser regulada por oscilações de [Ca2+]c na zona apical (Goodwin & Brière, 1992). Neste sistema
unicelular a iniciação do crescimento apical é acompanhada pelo estabelecimento de um gradiente
Ca2+. Mais tarde durante o desenvolvimento, forma-se um "anel" de Ca2+ mais concentrado que
origina o achatamento do ápice. Modulação computacional mostra que, sob perturbação, este anel
de Ca2+ se transforma em picos dispostos circularmente que mimetizam a simetria do verticilo
(Goodwin & Brière, 1992).
3.4. As oscilações e os fenómenos rítmicos
A maioria dos eucariotas e alguns procariotas exibem um ritmo circadiano de 24-h (Webb, 2003),
consequência dos ciclos dia/noite. Muitos destes ritmos persistem na ausência do estímulo temporal
sugerindo a existência de mecanismos auto-reguladores. Ritmos não circadianos são também
conhecidos (exemplo: crescimento pulsátil) indicando que a capacidade para gerar e manter ritmos
é uma propriedade intrínsica que evoluiu com as células. Estes mecanismos tem estruturas básicas
similares; vias “input” integram estímulos num oscilador molecular que, por sua vez, regula vias
“output” e transduz informação temporal (Harmer et al., 2001). Em termos espaciais, a informação
pode então confinar-se a uma célula ou amplificar-se e propagar-se pelo tecido/organismo.
Apesar de todo o conhecimento já adquirido sobre as vias “input” que modulam o relógio
circadiano (Somers et al., 1998; Devlin, 2002; Fankhauser & Staiger, 2002), a natureza molecular
do oscilador (Alabadi et al., 2001; Somers, 2001; Hall et al., 2002; Hayama and Coupland, 2003) e
as respostas circadianas por ele reguladas (Lumsden, 1998; Hayama and Coupland, 2003; Webb
2003), muito pouco se sabe sobre as vias de sinalização pelas quais o oscilador regula os eventos
celulares (Morre et al., 2002; Webb 2003). Em células vegetais, o relógio circadiano controla
aspectos fisiológicos fundamentais tais como expressão génica (Harmer et al., 2000), movimentos
estomáticos (Webb, 1998, 2003) e foliares (Gomez & Simon, 1995), taxas fotossintéticas e fluxos
iónicos (McClung and Kay, 1994). O relógio circadiano é ainda o cronómetro interno pelo qual se
alinham o crescimento seasonal, a indução e quebra da dormência, a reprodução vegetativa e o
desenvolvimento floral (Yanovsky & Kay, 2002; Hayama & Coupland, 2003). Permanece no entanto
a questão se as plantas possuem um ou múltiplos osciladores. Dados sobre múltiplos osciladores
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foi já obtida em Drosophila melanogaster (Plautz et al., 1997) e na alga unicelular Gonyaulax
polyhedra (Roenneberg & Morse, 1993). Nas plantas superiores este conceito é apoiado por relatos
de ritmos internos com distintos períodos circadianos (Hennessey & Field, 1992; Sai & Johnson,
1999) embora uma hipótese alternativa seja simplesmente a ausência de sincronização. Num
estudo recente em plântulas de Nicotiana plumbaginifolia e Arabidopsis exprimindo luciferase, Thain
& colaboradores (2000) demonstraram que os ritmos luminescentes de pecíolos podem ser
eliminados após a sua excisão das plantas. Para além disso, verificaram que mesmo zonas distais
e proximais de uma mesma folha podem ser induzidas em diferentes regimes de luz/escuridão.
Existem já inúmeras evidências relacionando o ião cálcio com estes processos rítmicos,
nomeadamente envolvendo ondas e oscilações cuja frequência e amplitude pode ser interpretada
(Allen et al., 2001; Evans et al., 2001) e que, como vimos anteriormente, podem ser espacialmente
confinadas. Variações na [Ca2+]c podem regular a actividade de enzimas e canais sem necessidade
de alteração da expressão génica tornando assim possível que oscilações circadianas de [Ca2+]c
integrem informação temporal com outros estímulos ambientais tornando a frequência rítmica mais
plástica e coordenada com aspectos específicos da fisiologia celular. Coloca-se então a questão de
saber se estas variações de [Ca2+]c transmitem apenas informação temporal ou estão também
envolvidas na transdução de respostas celulares. Os testes já efectuados não são conclusivos
tendo-se observado nalguns casos a ocorrência de transientes únicos de [Ca2+]c (“spikes”) enquanto
noutros verificou-se o despoletar de padrões de oscilação complexos (Sanders et al., 2002;
Schuster et al., 2002). Num estudo sobre a taxa de transcrição dos genes do complexo colector de
luz (Lhc)b, Sai & Johnson (1999) verificaram que os ritmos de [Ca2+]c e transcrição de Lhcb eram
distintos em condições constantes. Observaram ainda que mesmo na ausência de oscilações de
[Ca2+]c, as oscilações de Lhcb permaneciam indicando que pelo menos a actividade dos promotores
de Lhcb não depende do mesmo oscilador que impõe os ritmos de [Ca2+]c à célula.
3.5. Os osciladores de Ca2+
A conclusão que emerge dos estudos de ritmos de Ca2+ versus expressão de Lhcb é que, para
decifrar se a informação temporal está codificada na oscilação de [Ca2+]c, é necessário
compreender de que forma alterações a longo prazo na [Ca2+]c estão (ou não) integradas nas redes
de sinalização. O período das oscilações circadianas é a24 h, período muito superior ao das
oscilações de [Ca2+]c induzidas por outros estímulos (bióticos e abióticos) cuja período varia entre
alguns segundos e alguns minutos (Evans et al., 2001). No entanto, a amplitude de ambos os tipos
de oscilações é semelhante (Love et al., 2004). Isto sugere que as oscilações circadianas de [Ca2+]c
apresentam efectivamente capacidade para comunicar informação temporal a alvos intracelulares.
Por exemplo, poderão ter um papel na transdução de sinais entre fotoreceptores e o oscilador
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circadiano (Shacklock et al., 1992; Bowler, et al., 1994; Somers et al., 1998; Baum et al., 1999;
Fankhauser and Staiger, 2002) e vice-versa (Johnson et al., 1995; Sai and Johnson, 1999; Webb,
2003). A apoiar esta hipótese verificou-se que alterações de Ca2+ induzidas pelo ionóforo A23187
modificam o movimento foliar circadiano (Gomez & Simon, 1995). Dados mais recentes (Love et al.,
2004) demonstraram que o fotoperíodo imposto ao organimo regula a fase e forma das oscilações
circadiana de [Ca2+]c mas também os valores absolutos de [Ca2+]c no período correspondente ao
entardecer. Estas observações indiciam uma codificação de informação e uma transdução dessa
mesma informação (Hetherington and Woodward, 2003).
Em que consiste um oscilador de Ca2+? De acordo com Harper (2001) os requisitos mínimos
para tal consistem em canais para influxo e bombas (ou antirporters) para efluxo. No entanto,
componentes adicionais (como por exemplo proteínas cinases – ver §4.2 e §4.3) podem
providenciar superior capacidade regulatória, quer no controle das taxas de influxo quer de efluxo. A
homeostase celular poderá beneficiar de uma activação diferencial dos seus osciladores criando
mensagens específicas para determinado estímulo recorrendo ao mesmo “pool” iónico. Num estudo
recente, Allen & colaboradores (2000) obtiveram evidência genética para um oscilador estímuloespecífico em células estomáticas de Arabidopsis. Estes autores demonstraram que quatro
estímulos distintos (Ca2+ extracelular, H2O2, frio e ácido abcísico) desencadeavam oscilações de
Ca2+ correlacionadas com o fecho estomático. Curiosamente, em células de um mutante (det3), 2
destes estímulos (Ca2+ extracelular e H2O2) não produziram qualquer efeito. Esta mutação
caracteriza-se por uma deficiência numa bomba de protões vacuolar (Sze et al., 2000) sugerindo
que, de alguma forma, esta bomba está envolvida na regulação do oscilador em resposta a estes
dois estímulos. Um dado análogo foi obtido por Geisler & colaboradores (2000) mas para uma
bomba vacuolar regulada por calmodulina.
Considerando estes e outros dados actualmente disponiveis sobre a diversidade e
localização dos sistemas bombeadores de Ca2+, Harper (2001) propõe que pelo menos 4
osciladores distintos devem co-existir em células vegetais (Figura 2, indicado por Ï). No entanto, e
independentemente do número de potenciais osciladores permance ainda por determinar (1) se e
como eles interactuam e (2) se existe uma acção coordenada dos diferentes osciladores durante os
ritmos circadianos. Wood & colaboradores (2001) sugeriram que as redes de sinalização que
comunicam informação temporal do oscilador podem ser divididas em dois grupos funcionais. O
primeiro consiste em cascatas de regulação transcricional; o segundo grupo caracteriza-se por uma
regulação pós-translacional da actividade proteica por mensageiros secundários. Estudos em
cianobactérias exprimindo luciferase por diferentes promotores revelaram que, apesar dos ritmos de
expressão de luminescência variarem consoante o promotor (Kondo et al., 1993; Liu et al., 1995),
mutações nas proteínas Kai (constituintes do “relógio central” destas cianobactérias) induziam
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resultados semelhantes nas alterações de luminescência. Isto indica que a actividade destes
promotores é controlada pelo mesmo oscilador (Ishiura et al., 1998). É assim possível que as
diferenças de fase observadas por Wood & colaboradores (2001) resultem da actividade de um
único oscilador re-interpretada de forma distinta em diferentes células/tecidos. Este é um tópico
onde os futuros avanços terão necessariamente de considerar a questão da individualidade e
variabilidade celular.
4. Descodificando a via de sinalização do Ca2+
4.1. Ca2+ e a via dos fosfoinositóis
Os fosfoinositóis são uma vasta família de moléculas que desempenham um papel fundamental nos
mecanismos de sinalização. No entanto, o nosso conhecimento sobre o seu papel nas células é
ainda reduzido (Drøbak, 1992). O Ins(1,4,5)P3 é o membro mais investigado desta família porque
tem capacidades para funcionar como um mensageiro secundário promovendo a libertação de Ca2+
(Berridge, 1995) como demonstrado pela fotólise de Ins(1,4,5)P3 aprisionado (Franklin-Tong et al.,
1996; Malhó, 1996) ou adição a microssomas (Brosnan & Sanders, 1990; Muir & Sanders, 1997).
No entanto, a medição da sua concentração intracelular de forma inequívoca está ainda por fazer.
Em tubos polínicos, o Ins(1,4,5)P3 não parece ser necessário para a activação da entrada de Ca2+
mas para transduzir sinais para regiões posteriores da célula (Malhó 1996). Em células animais, a
injecção de heparina bloqueia completamente as respostas à fotólise de Ins(1,4,5)P3 aprisionado
mas não aparenta qualquer efeito nos influxos de Ca2+ promovidos por estímulos extracelulares
(Petersen & Berridge, 1994). Após o influxo inicial de Ca2+, a via de transdução de sinal inclui
libertação adicional de Ca2+ dos reservatórios dependentes de Ins(1,4,5)P3. Este tipo de libertação é
uma forma de amplificar sinais de Ca2+ e pode gerar oscilações de Ca2+ (§2.6)(Schroeder &
Hagiwara, 1990). Em plantas a heparina também não tem efeito na expressão dos cDNA de lti78
and kin2 induzidos por ABA o que sugere que o Ins(1,4,5)P3 deve estar envolvido numa resposta
secundária (mas não primária) ao ABA (Wu et al., 1997). Isto pode representar uma mudança entre
vias dependentes e independentes de Ca2+ (Gilroy, 1996); Grabov & Blatt, 1998), isto é, a
informação passando através de uma via dependente do cADP-R, poderia compensar a inibição da
via do Ins(1,4,5)P3 (Leckie et al., 1998). Este tipo de organização é característico de sistemas
complexos.
Entre os vários alvos da via dos fosfoinositóis, os microfilamentos de actina e proteínas com
ligação à actina são particularmente importantes. A profilina, uma proteína abundante em pólen
(Valenta et al., 1991), forma complexos com ADP-actina e promove a sua fosforilação a ATP-actina.
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Estes complexos são dissociados por PIP2 ((Drøbak et al., 1994) de forma que uma diminuição da
profilina pode alterar o estado físico do citosqueleto. A profilina também se liga à fosfolipase C
inibindo a sua função o que pode ser uma forma de regular os níveis de PIP2 (Drøbak et al., 1994).
O Ca2+ libertado pelo Ins(1,4,5)P3 pode activar a gelsolina, uma proteína que despolimeriza a actina.
Em células animais, proteínas com semelhança ao receptor de Ins(1,4,5)P3 ligam-se aos filamentos
de actina (Fujimoto et al., 1995) e é provável que parte do mecanismo de auto-incompatibilidade em
Papaver (Franklin-Tong et al., 1996) envolva alterações no citosqueleto induzidas por Ins(1,4,5)P3
(Clarke et al., 1998). Em alternativa, o "turn-over" dos fosfoinositóis pode regular a actividade de
proteínas cinase e fosfatases (Takahashi et al., 1998).
4.2. Ca2+ e Calmodulina
A calmodulina é o principal descodificador dos sinais de Ca2+ nas células eucariotas (Snedden &
Fromm, 1998). O complexo Ca2+/CaM é um elemento central no controlo da actividade secretora
(Gilroy, 1996; Schuurink et al., 1996) como se depreende pelas experiências em células deficientes
em fitocromo (Neuhaus et al., 1993, 1997) cujo desenvolvimento é reposto pela microinjecção de
CaM. O fitocromo regula negativamente a expressão de chalcona sintase (CHS) via Ca2+/CaM e,
por sua vez, estas mesmas duas vias são utilizadas para regular positivamente a expressão de
CHS (Frohnmeyer et al., 1998) por UV. Resultados de uma irradiação combinada com luz vermelha
e UV sugerem que a resposta do fitocromo pode ser activada em primeiro lugar e a resposta aos
UV de seguida. As funções aparentemente antagonistas do Ca2+ e da CaM podem assim co-existir
na mesma célula porque a resposta aos dois comprimentos-de-onda está temporalmente separada.
O Ca2+/CaM parece também estar envolvido na tolerância ao sal. Plantas de tabaco exprimindo
uma forma truncada da sub-unidade catalítica e da sub-unidade regulatória de calcineurina, uma
fosfatase Ca2+/CaM dependente, mostraram uma maior capacidade para sobreviver a tratamentos
com NaCl quando comparadas com o fenótipo selvagem (Pardo et al., 1998).
Estudos feitos com injecção de CaM fluorescente revelaram que a sua distribuição é
uniforme em tubos polínicos (Moutinho et al., 1998) e durante a mitose (Vos & Hepler, 1998). Estas
observações contradizem dados anteriores com técnicas de imunohistoquímica em células fixadas.
Foi argumentado que isto se deve aos artefactos introduzidos durante o processo de fixação das
células que leva a uma redistribuição das proteínas solúveis (Vos & Hepler, 1998). No entanto, os
novos dados não diminuem a importância da CaM. Algumas observações em tubos polínicos
sugerem uma interacção da CaM com o citosqueleto actínico (Moutinho et al., 1998). A interacção
da CaM com proteínas do citosqueleto está bastante bem documentada em células animais, em
especial para a miosina cinase de cadeia leve (James et al., 1995). O envolvimento da CaM e de
péptidos com ligação à CaM em processos actina-dependentes foi já sugerido na diferenciação dos
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traqueídos em células de Zinnia (Kobayashi & Fukuda, 1994) e durante o crescimento polarizado de
Neurospora crassa (Capelli et al., 1997). Em Arabidopsis, uma proteína tipo cinesina com ligação à
CaM foi também identificada (Deavours et al., 1998). Outra possível função para a CaM é a
regulação dos reservatórios de Ca2+. Em tubos polínicos, a manutenção do gradiente de Ca2+ numa
zona tão restrita da célula implica um controlo apertado entre o funcionamento dos canais e bombas
desta zona. A regulação por CaM dos reservatórios de Ca2+ e receptores de Ins(1,4,5)P3 (Ainger et
al., 1993; Patel et al., 1997) sugere que a CaM pode permitir, quer o controlo de receptores de
membrana, quer a integração de sinais de outras vias. Em células vegetais foram já identificados
canais e bombas cuja actividade é regulada pela CaM (Askerlund, 1997; Bethke & Jones, 1994).
Uma distribuição uniforme da CaM não implica necessariamente uma funcionalidade
uniforme. A actividade da CaM é dependente da ligação ao Ca2+, logo da [Ca2+]c. Elevados valores
de [Ca2+]c, tal como os registados no ápice de tubos polínicos, pode resultar numa activação
localizada da proteína. Utilizando a técnica de "fluorescence anisotropy imaging", Gough e Taylor
(1993) mostraram que, enquanto a CaM está uniformemente distribuída em fibroblastos, a sua
actividade é bastante superior nas zonas terminais dessas células. Observações semelhantes
foram efectuadas em tubos polínicos (Rato et al., 2005). Torok & colaboradores (1998) verificaram
por sua vez, que a activação da CaM como resultado de aumentos de [Ca2+]c é essencial para a
progressão mitótica em células animais. No entanto, o padrão de activação da CaM é diferente do
padrão dos sinais de Ca2+ e não pode ser previsto a partir destes últimos. Foi assim colocada a
hipótese de que a activação da CaM ocorre através do recrutamento de CaM para os seus alvos
por um aumento generalizado de Ca2+ e que a dinâmica da sua activação é determinada pelas
interacções da CaM com esses alvos (Torok et al., 1998). Estes resultados indicam que,
provavelmente mais importante do que mapear a distribuição de uma proteína, é mapear a sua
activação.
4.3. Proteínas cinases e fosfatases
As cascatas de fosforilação reguladas por proteínas cinase e fosfatases representam vias primárias
de transdução de sinal a jusante do sinal de [Ca2+]c. Em células animais foi proposto que isto pode
ocorrer pela acção conjunta de fosfatases activadas por Ca2+ e por uma cinase Ca2+-independente
(Goldbeter et al., 1990); alterações nas concentrações de [Ca2+]c, levariam a fosforilação a uma taxa
constante e desfosforilação de uma forma Ca2+-dependente. Num artigo notável, De Koninck e
Schulman (1998) mostraram que a questão é bem mais complexa. Estes autores desenvolveram
um ensaio in vitro para testar a sensibilidade da CaM cinase II à frequência das oscilações de Ca2+
e verificaram que a enzima consegue descodificar a frequência dos picos de Ca2+ em diferentes
graus de actividade cinática. A resposta era modulada por diversos factores entre os quais a
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amplitude e duração dos picos, bem como a composição em sub-unidades e estádios prévios de
activação da cinase. De facto, a CaM cinase II não é directamente activada por Ca2+ mas sim por
CaM complexada com o ião (Ca2+-CaM); liga-se à CaM e continua activa, mesmo após os níveis de
Ca2+ terem declinado. Nestas condições, a enzima torna-se autónoma e pode ser dito que
apresenta uma "memória de curto alcance" que mantém a actividade entre oscilações repetitivas de
Ca2+. Isto explica o comportamento complexo e não linear da enzima em resposta a sinais externos.
Padrões de oscilação simples podem assim gerar padrões complexos de activação e fosforilação
dos seus alvos. Existirão mecanismos semelhantes em células vegetais ? Provavelmente sim. Num
curto espaço de tempo, as células de tabaco parecem "lembrar-se" de estímulos hipo-osmóticos
prévios (Takahashi et al., 1997). Estes estímulos originam um transiente de [Ca2+]c que é controlado
por proteínas cinases (Takahashi et al., 1998).
Em células vegetais, muitas das cinases identificadas até à data são Ca2+-dependentes.
Proteínas cinases Ca2+-dependentes (CDPK), proteínas cinase Ca2+/CaM-dependentes (CaM
kinase) e uma proteína cinase tipo C foram já clonadas ou descritos dados bioquímicos que
sugerem a sua presença (Ramachandiran et al., 1997; Subramanian et al., 1997). A regulação dos
valores apicais de [Ca2+]c em tubos polínicos foi sugerida ser regulada por CDPKs (Moutinho et al.,
1998a) e também a sensibilidade ao gravitropismo (Lu et al., 1996). Através de experiências com
microinjecção e adição de inibidores, foi confirmado que a indução de aumentos de [Ca2+]c e a
expressão génica em resposta ao ABA por cADPR são regulados por fosforilação de proteínas (Wu
et al., 1997). CDPKs também modificam fluxos de H+ (Lino et al., 1998) e o pHc regula a acção do
ABA em células estomáticas (Grabov & Blatt, 1998). Para além disso, os genes para as mutações
abi1 e abi2 que tornam as plantas insensíveis ao ABA, CO2 e Ca2+ extracelular, codificam proteínas
com homologia a proteínas fosfatases reguladas por Ca2+ (Webb et al., 1997). A via de transdução
de sinais para os três estímulos deve convergir nestas fosfatases. Várias fosfatases foram já
descritas em células vegetais e a sua inibição tem efeitos marcantes no crescimento e
desenvolvimento (Grill & Himmelbach, 1998; Stone & Walker, 1995). A presença ubíqua de
cascatas de fosforilação na resposta ao ABA deve ser vista com alguma cautela. Inibição específica
de CDPKs pelo substrato syntide-2 indica o seu envolvimento na resposta a giberelinas mas não a
ABA (Ritchie & Gilroy, 1998). Para além disso, syntide-2 não afecta o aumento de [Ca2+]c induzido
por giberelinas sugerindo que a sua acção se dá a jusante do sinal de Ca2+. Os alvos da CDPK são
desconhecidos mas devem envolver cascatas de MAP cinases (Hirt, 1997). As MAP cinases estão
envolvidas na transmissão intracelular de diversos sinais (giberelinas, ABA, etileno, stress osmótico,
feridas, auxinas, elicitores fúngicos e factores que afectam a proliferação celular) e a sua activação
é bloqueada por estaurosporina e Gd3+ (Hirt, 1997). Regulação por proteínas cinases do tipo C e
Ca2+ é pois provável. Em células animais, as cascatas MAPK iniciam-se geralmente em receptores
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ligados a pequenas GTPases as quais foram já implicadas na transdução de sinais em células
vegetais (por exemplo proteínas Rho em tubos polínicos; Lin et al., 1996; Camacho & Malhó, 2003].
5. Regulação espacial do Ca2+ no citoplasma e em organitos
Uma vez que uma elevada concentração de moléculas relativamente imóveis e tamponantes de
Ca2+ existem no citoplasma a limitar a difusão do Ca2+ a alguns micra, a transmissão do sinal só
pode ser conseguida por (1) distribuição difusional do mensageiro secundário mobilisador do Ca2+
ou (2) libertação regenerativa de Ca2+. Ambos os mecanismos dependem do papel dos organitos
como reservatórios intracelulares. Assim, a distribuição sub-celular destes reservatórios pode
determinar a organização espacial do sinal de [Ca2+]c (Thomas et al., 1996).
5.1. O núcleo e a regulação da expressão génica
Tem sido frequentemente sugerido que o papel do núcleo nos sinais de Ca2+ é dinâmico e
complexo. Lowenstein e Kanno (1963) mediram o potencial de membrana através do invólucro
nuclear e observaram diferenças substanciais nos núcleos de alguns tipos de células mas não
outros. Isto sugere que, pelo menos nalguns casos e apesar da presença do complexo dos poros
nucleares, existe no núcleo uma barreira à difusão dos sinais citoplasmáticos. Meyer &
colaboradores (1995) calcularam as taxas de difusão do Ca2+ no citoplasma e concluiram que se os
sinais nucleares forem diferentes dos citoplasmáticos em mais de um segundo, o invólucro está a
actuar como uma barreira à mobilidade destes iões. Mais recentemente, medições directas do Ca2+
nuclear, [Ca2+]nuc, foram efectuadas após sinalização e confirmaram estas observações (Badminton
et al., 1996). Em plântulas de tabaco transformadas com o gene da aequorina, foram observadas
diferenças de pelo menos 4 segundos entre os sinais de Ca2+ nuclear e citoplasmático após
tratamento com frio (van der Luit et al., 1999) pelo que o invólucro nuclear das células vegetais
actua como uma barreira.
Os núcleos também contém quantidades substanciais de CaM e fosfoinositóis. Em pelo
menos duas situações foram observados transientes de Ca2+ paralelamente a oscilações no
nucleoplasma (Gillot & Whitaker, 1994; Lin et al., 1994; Lipp et al., 1997) mas a percepção e
transmissão do sinal no nucleoplasma é iniciada pela libertação de Ca2+ de reservatórios sensíveis
ao (1,4,5)InsP3 localizados no lúmen do invólucro. Uma proteína cinase nuclear está descrita como
capaz de alterar o canal de (1,4,5)InsP3 do invólucro aumentando a sua sensibilidade (Matter et al.,
1993). Canais sensíveis ao cADP-R devem também estar presentes (Perez-terzic et al., 1996) e
uma Ca2+-ATPase é responsável pela tomada de Ca2+ para o lúmen do invólucro.
As observações mais interessantes dizem respeito ao trânsito de moléculas através do
invólucro. O movimento de factores de transcrição tais como cop ou det é com certeza um
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importante elemento de regulação da expressão génica (Furuya & Schafger, 1996). A remoção de
Ca2+ dos reservatórios do invólucro ou do RE inibe a fusão de vesículas nucleares (Sullivan &
Wilson, 1994) e o movimento de proteínas através dos poros nucleares sendo a estrutura destes
visivelmente alterada (Greber & gerace, 1995; Stehno-Bittel et al., 1995; Perez-terzic et al., 1996). A
recente identificação de poros nucleares solúveis (designados por "cofres") que podem ligar-se a
proteínas e mover-se para o núcleo após recepção de um sinal de Ca2+ é de extremo interesse
(Kickhoefer & Sanjay, 1996). O núcleo e o RE partilham assim muitas semelhanças nos
mecanismos de iniciação de ondas e oscilações.
Microinjecção de EGTA ligado a dextranos directamente no núcleo revelou que a regulação
da expressão génica por CREBs ("cAMP response element binding protein") é controlada pelo
[Ca2+]nuc mas não por [Ca2+]c; regulação de outros genes pelo sistema SRE ("serum response
element") requer alterações no [Ca2+]c (Hardingham et al., 1997). Por sua vez, a fosforilação Ca2+
dependente de CREB é levada a cabo por uma cinase nuclear. Já foram identificados CREBs em
células vegetais (Trewavas et al., 2002) e a identificação recente de uma adenilato ciclase
(Moutinho et al., 2001) tornam estas observações particularmente relevantes.
5.2. Mitocôndrias e plastos
A capacidade das mitocôndrias e plastos em acumularem Ca2+ é conhecida. A incorporação do
fornecimento de energia e portanto condições anaeróbicas devem levar à libertação de Ca2+ para o
citoplasma (Subbaiah et al., 1994). No entanto, não é claro se alterações no Ca2+ mitocondrial
controlam a expressão génica necessária para adaptação a anaerobiose (Sedbrook et al., 1996). As
mitocôndrias são capazes de regular sinais de [Ca2+]c (Hajnóczky et al., 1995) e assim interpretar
oscilações. A sincronização de ondas de Ca2+ por substratos mitocondriais foi também já
demonstrada em células animais (Jouaville et al., 1995).
Estudos em cloroplastos isolado sugerem que a luz leva a pequenas incorporações de Ca2+
(inibidas por vermelho de ruténio), levando à activação de enzimas fotossintéticas (Kreimer et al.,
1987, 1988). Medições do Ca2+ plastidial com aequorina mostram que este é efectivamente o caso
(Johnson et al., 1995); durante a exposição à luz há um aumento substancial do Ca2+ livre nos
cloroplastos o qual passa a exibir oscilações circadianas. No entanto, a iluminação também
aumenta o número de locais de ligação ao Ca2+ de forma que em repouso a concentração de Ca2+
livre no estroma deve ser reduzida. As oscilações podem explicar a aparente relação entre os
ritmos circadianos nas reacções fotossintéticas e as alterações de forma em Euglena (Lonergan,
1990).
6. Sinais de Ca2+ multicelulares
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Os sinais de Ca2+ não se confinam a células isoladas. Estimulação mecânica de células individuais
imobilizadas em culturas podem induzir a propagação de ondas intercelulares de [Ca2+]c as quais
são provavelmente transmitidas a partir de junções de hiato e (1,4,5)InsP3 (Boitano et al., 1992).
Resultados equivalentes foram obtidos em células de raiz (Legue et al., 1997).
Em cotilédones de tabaco um tratamento com frio despoleta um aumento de [Ca2+]c que se
propaga do ponto de origem até à extremidade do tecido (Knight et al., 1991). Comunicação entre
tecidos foi também verificada quando raízes de plântulas transformadas com aequorina foram
imersas em água fria por um certo período de tempo (Campbell et al., 1996); alguns minutos depois,
ondas de [Ca2+]c foram detectadas nas folhas. Quando colocadas em condições anaeróbicas,
plântulas de Arabidopsis exibem picos de [Ca2+]c com uma periodicidade de ~ 5 minutos e origem
na raíz. Quando esta é removida, os picos desaparecem sugerindo que as ondas de [Ca2+]c estão
envolvidas na comunicação entre tecidos (Sedbrook et al., 1996). Como estas ondas se propagam
é desconhecido mas em células vegetais a comunicação célula-célula é feita principalmente por
plasmodesmos. Alterações nos níveis de Ca2+ e (1,4,5)InsP3 estão descritas como capazes de
afectar a comunicação célula-célula (Robards & Lucas, 1990) e os plasmodesmos contêm proteínas
com ligação ao Ca2+ no desmotúbulo. As ligações entre RE e plasmodesmos (Overall & Blackman,
1996) podem fornecer os elementos necessários para a transmissão de sinais entre tecidos.
Organitos filamentosos como o RE podem contribuir para uma mais rápida transmissão do sinal
porque este pode ser propagado no plano da membrana através de alterações subtis no potencial
de membrana. Os sinais de Ca2+ multicelulares podem assim ter lugar como uma espécie de figura
de Mandelbrot. Cada célula funciona num tecido como um organito numa célula; representam
entidades discretas com a capacidade para libertar ou incorporar Ca2+. No entanto, a emergência de
padrões como os que levam à formação de uma "memória" requerem provavelmente graus de
complexidade muito superiores com elevado número de interacções ente unidades adjacentes. As
células vegetais tem um reduzido (e fisicamente limitado) número de vizinhos o que será
certamente um factor limitante e poderá explicar uma das diferenças principais entre animais e
plantas.
7. A detecção de ondas e oscilações de Ca2+
Se as ondas e oscilações são um mecanismo generalizado de sinalização por Ca2+, então porque
há ainda relativamente poucos exemplos descritos em células vegetais por oposição aos inúmeros
casos descritos em células animais? Uma das razões é a presença de um grande vacúolo em
muitas destas células. O vacúolo ocupa frequentemente a maioria do citoplasma reduzindo o
citossol a uma tira estreita comprimida contra a membrana plasmática. Esta anatomia complica
significativamente a detecção de alterações nas [Ca2+]c. É pouco provável que um sinal seja
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propagado através do vacúolo uma vez que seria muito lento; libertação regenerativa e/ou
amplificação do sinal por mecanismos de reacção-difusão não occorreriam. O vacúolo é no entanto
um eficaz reservatório de Ca2+ como o comprovam a existência de numerosos transportadores no
tonoplasto (Alexandre et al., 1990; Alten et al., 1995; Hedrich & Neher, 1987).
Outra das razões são as limitações técnicas dos métodos utilizados para medições de Ca2+.
Uma vez que um elevado rácio sinal/ruído é necessário para medições apropriadas, as células são
frequentemente injectadas/transformadas com elevadas concentrações de sondas (~ 1-50 µM) que
podem actuar como agentes tamponantes. Este efeito pode não ser suficiente para eliminar
processos vitais (tais como o gradiente de [Ca2+]c em tubos polínicos) mas ser o bastante para
mascarar pequenas alterações de [Ca2+]c. A sonda fura-2, por exemplo, diminui a amplitude de
transientes de [Ca2+]c, aumenta a taxa de difusão do Ca2+ e o tempo de resposta celular sem no
entanto comprometer a viabilidade celular (Blumenfeld et al., 1992).
As células são também frequentemente expostas a estímulos muito intensos e longos a fim
de induzir fortes respostas que possam ser mais facilmente quantificadas. Isto pode resultar em
longos aumentos nos transientes de [Ca2+]c levando a que oscilações repetitivas sejam visualizadas
como um único e longo pico. Em células animais, o período entre picos e o período de latência
inicial diminuem à medida que a intensidade do estímulo aumenta mas a amplitude e a cinética de
picos individuais [Ca2+]c mantém-se constante dentro de um intervalo bastante grande (Hajnóczky et
al., 1995).
Um problema diferente, mas relacionado, é distinguir variações de sinal entre ruído gerado
pelos detectores e alterações estocásticas das próprias células. As plantas são sujeitas a contínuos
e aleatórios estímulos ambientais. O ruído resultante é geralmente considerado nefasto para uma
percepção precisa de sinais específicos. No entanto, investigação recente sugeriu que, pelo
contrário, o ruído pode melhorar consideravelmente a percepção de sinais muito fracos. Quando
acoplado um oscilador a um sinal fraco, o ruído pode permitir que o limite de detecção seja
estocasticamente atravessado e as redes de sinalização activadas permitindo o fluxo de informação
(Douglass et al., 1993). Este fenómeno, descrito como ressonância estocástica, pode melhorar a
detecção de sinais à medida que o ruído é aumentado para um valor óptimo. As oscilações de
[Ca2+]c podem assim ser ligadas à abertura estocástica e induzida por ruído de canais de Ca2+. Na
presença de sinais fracos, os limites de transdução podem ser periodicamente atingidos mas não
ultrapassados; a resonância estocástica ocorrerá quando o ruído aumenta ligeiramente tornando
possível a percepção de sinais fracos num ambiente "ruídoso". A detecção e análise desta
ressonância estocástica é um dos grandes desafios que esta área de investigação tem de enfrentar
se queremos prosseguir na descoberta dos mecanismos responsáveis pela complexidade dos
sistemas biológicos.
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8. Conclusões
O estudo dos mecanismos de percepção e transdução de sinais pode ser de extrema relevância na
compreensão dos sistemas complexos. Com efeito, as inúmeras analogias que se podem
estabelecer entre as formas de comunicação celular e o funcionamento da nossa sociedade
sugerem a existência de principios fundamentais que se multiplicam exponencialmente com o grau
de complexidade do sistema. Da compreensão do funcionamento celular e molecular dos nossos
componentes não deriva necessariamente a compreensão do que é a nossa consciência ou de
como estabelecemos códigos sócio-culturais. Contudo, poderá ser uma forma de lançar novas
ideias e experimentação que contribuam para esse propósito.
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Rui Malhó – O papel do Ca na transmissão de informação
Figura 1. Região apical de uma célula com crescimento apical (tubo polínico) ilustrando as principais vias de transdução
de sinal e seus componentes. O elevado grau de interacção entre as diferentes vias é característico de de um sistema
complexo capaz de interpretar múltiplos (e possivelmente antagónicos) sinais extracelulares.[ABPs, actin-binding proteins;
AC, Adenylyl cyclase; CaM-BP, Calmodulin-binding protein; Cc, Ca2+ channels; DAG, diacylglycerol; DAGK, DAG kinase;
Exoc, Exocyst; Fp, Fusogenic protein (SNAREs and/or anexins); GAP, Rop GTPase activating protein; GV, Golgi vesicle;
IP3, Inositol 1,4,5 triphosphate; PD, Phosphodiesterase; PIP2, phosphatidylinositol-(4,5)-bis phosphate; PIPK,
phosphatidylinositol kinase; PLC, phospholipase C; PLD, phospholipase D; PM, plasma membrane; PMEs, pectin-methylesterases; R, IP3 receptor.]
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Rui Malhó – O papel do Ca na transmissão de informação
Extracellular Ca2+free
Wall binding sites 1-10
K+ out / Ca2+
inw
membrane phospholipid
binding sites
ACA8
2+
Ca ATPas
cytoplasmic
binding sites ??
[Ca2+]c l Ca2+-CaM ??
channel
CAX
ATPase &
Ca2+/H + antiport
100-200
cGMP
PFR
Centra
l
1-10
1mM
ATPase &
Ca2+/H + antiport
Mitochondria
Ca2+ATPas
H
??
?
10-50
Nucleus
IP3 receptors
?
Plast
Small Vacuole
1-10
ACA2
1mM
ER
ACA4
IP
Phospholipase
CDP
2+
Figura 2. Resumo das redes sinalizadoras de Ca e hipotéticos osciladores em células vegetais.
Indicam-se as estimativas para a concentração do ião nos diferentes compartimentos sub-celulares. Setas indicam fluxos
de cálcio. Os hipotéticos osciladores localizados na membrana plasmática, RE e vacúolo estão indicados por Ï. Tópicos
em que os dados existentes são ainda escassos estão assinaladas por pontos de interrogação.
33