Rang e Dale: Farmacologia
Mecanismos de entrada de cálcio
No início dos anos 1970, o estudo da regulação do Ca2+ deu um passo
muito grande com o desenvolvimento das técnicas de fluorescência
baseadas na fotoproteína sensível ao Ca2+, a equorina, e de corantes como o
Fura-2, que permitiram, pela primeira vez, que a [Ca2+]i livre fosse continuamente monitorada em células vivas, com um alto nível de
resolução temporal e espacial.
A maior parte do Ca2+ na célula em repouso está retida em organelas,
especialmente no retículo endoplasmático (RE) ou sarcoplasmático (RS) e
nas mitocôndrias, e o nível de [Ca2+] i livre é mantido baixo, em cerca de 100 nmol/l. A concentração de Ca2+ no líquido extracelular, [Ca2+]0, é de
aproximadamente 2,4 nmol/l, havendo, assim, um grande gradiente de
concentração que favorece a entrada de Ca2+. A [Ca2+]i é mantida baixa (a) por mecanismos de transporte ativo que ejetam o Ca2+ do citosol, através da
membrana plasmática, e o bombeiam para o RE, e (b) pela normalmente
baixa permeabilidade das membranas plasmática e do RE ao Ca2+. A
regulação da [Ca2+]i envolve três mecanismos principais:
• Controle da entrada de Ca2+
• Controle da extrusão de Ca2+
• Movimento de Ca2+ entre o citosol e os locais de armazenamento
intracelulares.
Esses mecanismos são descritos em detalhes mais adiante e resumidos na
Figura 4.1.
MECANISMOS DE ENTRADA DE CÁLCIO
Existem quatro vias principais pelas quais o Ca2+ entra na célula através da
membrana plasmática:
• Canais de cálcio controlados por voltagem
• Canais de cálcio controlados por ligantes
• Canais de cálcio operados por armazenamento (SOC; do inglês, store-
operated calcium channels)
• Troca de Na+-Ca2+ (pode funcionar nas duas direções; ver Mecanismos
de extrusão de cálcio, p. 55).
Canais de cálcio controlados por voltagem
O trabalho pioneiro de Hodgkin e Huxley sobre as bases iônicas do
potencial de ação do nervo (pp. 56-58) identificou as condutâncias de Na+ e
K+ dependentes de voltagem como seus principais participantes.
Posteriormente, descobriu-se que algumas células nervosas e musculares de
invertebrados podem produzir potenciais de ação dependentes de Ca2+, e
não de Na+, e, então, verificou-se que as células de vertebrados também
apresentam canais de cálcio ativados por voltagem que permitem a entrada
de quantidades substanciais de Ca2+ na célula quando a membrana se
despolariza. Esses canais de cálcio controlados por voltagem são altamente
seletivos para o Ca2+ (mas também podem transportar íons Ba2+, que, com
frequência, são usados como substitutos em experimentos
eletrofisiológicos), não conduzindo Na+ ou K+; eles estão sempre presentes
em células excitáveis e fazem com que o Ca2+ entre na célula sempre que a
membrana for despolarizada, como, por exemplo, por um potencial de ação
propagado.
Figura 4.1 2+ Regulação do cálcio intracelular. Principais vias de transferência de Ca
para dentro e para fora do citosol, retículo endoplasmático (RE) e estruturas lisossomais em uma célula típica (ver o texto para mais detalhes). Setas pretas: rotas de entrada para o citosol. Setas azuis: rotas para fora do citosol. Setas vermelhas: mecanismos reguladores. O 2+ status do estoque de Ca no RE é monitorado pela proteína sensora Stim1, a qual interage diretamente com o canal de cálcio operado por armazenamento (SOC; do inglês, store-operated calcium channel 2+ ), de modo a promover entrada de Ca quando os estoques no RE se depletam. Normalmente, [Ca2+ –7 ] é mantida em cerca de 10 mol/l na
i
célula “em repouso”. As mitocôndrias (não mostradas) também funcionam como organelas de armazenamento de Ca 2+ 2+ , mas só liberam esse Ca em condições patológicas, como a isquemia (pp. 55-56). Existem evidências recentes de um estoque lisossômico de cálcio ativado pelo segundo mensageiro ácido nicotínico dinucleotídio fosfato (NAADP), através de um canal de cálcio com domínio de dois poros (TPC). GPCR, receptor acoplado à proteína G (Gprotein-coupled receptor); IP 3, trifosfato de inositol; IP3R, receptor de trifosfato de inositol; LGC, canal de cátion operado por ligante (ligand-gated calcium channel + 2+ 2+ ); NCX , transportador de troca Na-Ca ; PMCA , Ca-ATPase de membrana plasmática ( 2+ plasma membrane Ca-ATPase); RyR, receptor de rianodina; SERCA, ATPase do retículo sarcoplasmático/endoplasmático (sarcoplasmic/endoplasmic reticulum ATPase); VGCC, canal de cálcio operado por voltagem (voltage-gated calcium channel).
Uma combinação de critérios eletrofisiológicos e farmacológicos
revelou cinco subtipos distintos de canais de cálcio controlados por
voltagem: L, T, N, P/Q e R.1 Os subtipos variam com relação a sua cinética
de ativação e desativação, seu limiar de voltagem para ativação, sua
condutância e sensibilidade aos agentes bloqueadores, conforme se observa
na Tabela 4.1. A base molecular dessa heterogeneidade já foi parcialmente
elucidada. A principal subunidade formadora de poros (denominada α1; ver
Figura 3.20) apresenta pelo menos 10 subtipos moleculares, sendo
associada a outras subunidades (β, γ e duas subunidades do mesmo gene,
α2δ, ligadas por uma ponte de dissulfeto), que também existem em
diferentes subtipos para formar o canal funcional. Variadas combinações
dessas subunidades dão origem aos diversos subtipos fisiológicos.2 Em
geral, os canais L são particularmente importantes na regulação da
contração dos músculos cardíaco e liso (p. 65); e os canais N (e também os
P/Q) estão envolvidos na liberação de neurotransmissores e hormônios,
enquanto os canais T medeiam a entrada de Ca2+ nos neurônios perto do
potencial da membrana em repouso e podem controlar a velocidade de
repolarização dos neurônios e das células cardíacas, bem como diversas
funções dependentes de Ca2+, como, por exemplo, a regulação de outros
canais, enzimas etc. Os fármacos usados na prática clínica que atuam
diretamente em algumas formas de canais de cálcio incluem o grupo de
“antagonistas do Ca2+”, formado pelas di-hidropiridinas (p. ex.,
nifedipino), verapamil e diltiazem (utilizados por seus efeitos
cardiovasculares; ver Capítulos 22 e 23), e a gabapentina e a pregabalina
(usadas no tratamento de crise convulsiva, dor e ansiedade; ver Capítulos
43, 45 e 46). Muitos fármacos afetam os canais de cálcio indiretamente por
meio de sua atuação nos receptores acoplados à proteína G (ver Capítulo 3). Várias toxinas atuam seletivamente sobre um ou outro tipo de canal de
cálcio (Tabela 4.1), sendo usadas como ferramentas experimentais.
Tabela 4.1 Tipos e funções dos canais de cálcio.
Controlado Principais
Características Localização e função Efeitos dos fármacos
por tipos
Voltagem Bloqueado por di-
hidropiridinas, verapamil,
diltiazem e calciseptina
Membrana plasmática em (peptídio de veneno de
Limiar de ativação muitas células serpente) alto
L 2+ Principal fonte de Ca para a Ativado por BayK 8644
Inativação lenta contração dos músculos liso e
cardíaco A fosforilação por PKA (p. ex.,
após ativação β-1 adrenorreceptor) aumenta a
abertura do canal
Bloqueado pela -
conotoxina GV1A
N Limiar de ativação (componente do veneno do 2+ Principal fonte de Ca para a caracol marinho Conus ) e baixo liberação de transmissores pelas ziconotida (preparação terminações nervosas Inativação lenta comercializada de -
conotoxina usada no controle
da dor) (ver Capítulo 43)
T Limiar baixo Distribuição ampla Bloqueado pelo mibefradil
Inativação rápida Importante no marca-passo
cardíaco e nos átrios (com
participação em arritmias), e
também nos padrões de disparo
neuronal
P/Q Limiar de ativação Bloqueado pela -agatoxina- Terminações nervosas baixo 4A (componente do veneno
Inativação lenta Liberação de transmissores da aranha-teia-de-funil)
Bloqueado por baixas
Limiar baixo Neurônios e dendritos
concentrações de SNX-482
R
Inativação rápida (uma toxina de um membro Controle de padrões de disparo
da família da tarântula)
Não é alvo direto de fármacos
Localizado no retículo
São conhecidos alguns
IP Receptor IP 33 2+ de IP e Ca 2+ 3 Medeia a liberação de Ca Responde a agonistas e Ativado por ligação endoplasmático/sarcoplasmático bloqueadores experimentais
produzida pela ativação de GPCR antagonistas do GPCR em
diversas células
Ativado por cafeína e ATP na
presença de Ca2+
A rianodina ativa
(concentrações baixas) e
Ativado diretamente fecha (concentrações no músculo estriado Localizado no retículo elevadas) o canal
Ca 2+ Receptor de através do receptor endoplasmático/sarcoplasmático 2+ Também fechado por Mg, de di-hidropiridina
rianodina 2+ no Via para liberação de Ca bloqueadores dos canais de dos túbulos T.
2+ músculo estriado + K e dantroleno
Ativado por Ca no músculo cardíaco
Mutações podem levar a
hipotermia maligna induzida
por fármacos, morte súbita
cardíaca e doença do núcleo
central
Depleção de Canais operados Ativado por sensor Localizado na membrana Ativado indiretamente por
estoques por proteico que plasmática agentes que depletam os
armazenamento monitora o nível dos estoques intracelulares (p.
estoques de Ca 2+ no ex., agonistas do GPCR, retículo tapsigargina) endoplasmático
Não é alvo direto de fármacos
RE, retículo endoplasmático; GPCR, receptor acoplado à proteína G; IP3, trifosfato de inositol; PKA, proteinoquinase A.
Canais regulados por ligantes
A maioria dos canais de cátions regulados por ligantes (ver Capítulo 3) que
são ativados por neurotransmissores excitatórios é relativamente não
seletiva, conduzindo íons Ca2+ e outros cátions. Nesse aspecto, o mais
importante é o receptor de glutamato do tipo NMDA (ver Capítulo 39), que
apresenta permeabilidade ao Ca2+ particularmente elevada, sendo um
contribuinte de grande importância para a captação de Ca2+ pelos neurônios
pós-sinápticos (e também pelas células gliais) no sistema nervoso central. A
ativação desse receptor pode facilitar uma entrada de Ca2+ tão grande que a
célula morre, principalmente pela ativação de proteases dependentes de
Ca2+, mas também pela ativação da apoptose (ver Capítulo 6). Esse
mecanismo, chamado excitotoxicidade, provavelmente participa de diversas
doenças neurodegenerativas (ver Capítulo 41).
Por muitos anos, houve discussões sobre a existência de “canais
operados por receptores” no músculo liso que respondem diretamente a
mediadores como epinefrina, acetilcolina e histamina. Atualmente, estima-
se que o receptor P2X (ver Capítulo 3), ativado pelo ATP, seja o único
exemplo de um verdadeiro canal operado por ligantes no músculo liso,
constituindo importante porta de entrada para o Ca2+. Como já mencionado,
muitos mediadores atuam em receptores ligados à proteína G e afetam indiretamente a entrada de Ca2+, principalmente regulando os canais de