Ritmo ultrarrápido no cérebro: novas perspectivas sobre o transporte de cálcio e o processamento de sinais
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Investigadores da Universidade de Freiburg, juntamente com parceiros, descobriram o mecanismo de transporte ultrarrápido das bombas de cálcio nas células nervosas. Estas bombas, complexos de proteínas PMCA2 e neuroplastina, funcionam a mais de 5.000 ciclos por segundo e terminam os sinais de cálcio em milissegundos - 100 vezes mais rápido do que se sabia anteriormente. Desempenham um papel crucial no processamento rápido da informação no cérebro. As descobertas abrem novas perspectivas para a compreensão de doenças neurológicas e possíveis abordagens terapêuticas - visando, por exemplo, a surdez hereditária.
Para o funcionamento rápido do cérebro: A imagem mostra a estrutura 3D de uma bomba de cálcio que funciona a taxas superiores a 5.000 por segundo. O local de ligação dos lípidos é ampliado no canto inferior direito, a terminação rápida de um sinal de cálcio pela atividade da bomba é mostrada no canto superior direito.
Prof. Dr. Bernd Fakler
Quer pensemos, ouçamos ou nos movamos - todos estes processos se baseiam em sinais eléctricos nas nossas células nervosas. São desencadeados por uma interação extremamente precisa de iões como o cálcio. Mas tão importante como o cálcio é para a transmissão de sinais: a sua quantidade deve ser mantida a um nível mínimo dentro das células. Um nível de cálcio desequilibrado pode perturbar as funções celulares e, a longo prazo, promover doenças - incluindo a surdez hereditária. Por isso, a rápida eliminação do cálcio pelas bombas é crucial e deve ocorrer após cada sinal. Esta tarefa é efectuada por complexos formados por uma subunidade da adenosina trifosfatase (ATPase) de cálcio da membrana plasmática e uma proteína neuroplastina - as chamadas bombas de cálcio da membrana plasmática.
Dr. Bernd Fakler, Diretor do Instituto de Fisiologia da Universidade de Freiburg e membro dos Clusters de Excelência CIBSS - Centro de Estudos Integrativos de Sinalização Biológica e BIOSS - Centro de Estudos de Sinalização Biológica, mostra que estas bombas funcionam a taxas de transporte mais de 100 vezes superiores às anteriormente assumidas. Ao bombear iões de cálcio para fora das células a mais de 5.000 ciclos por segundo, as bombas de cálcio activas e consumidoras de ATP da membrana celular podem baixar as concentrações de cálcio intracelular de 10 micromolar para menos de 0,1 micromolar em apenas alguns milissegundos.
"Os nossos dois estudos demonstram: os complexos de bombas na membrana celular removem iões de cálcio das células nervosas a taxas de transporte superiores a 5.000 ciclos por segundo - 100 vezes mais rápido do que se sabia anteriormente. Também identificámos o mecanismo chave por detrás desta bombagem rápida, que é fundamental para o processamento de informação em milissegundos no nosso cérebro. Em conjunto, os resultados alargam o conhecimento do processamento de sinais no cérebro e abrem novas abordagens para o desenvolvimento de medicamentos - por exemplo, contra a surdez hereditária", afirma o Prof. Dr. Bernd Fakler.
Para comparação: as ATPases de cálcio das membranas intracelulares funcionam a taxas de rotação de apenas algumas dezenas de ciclos por segundo. Para as suas experiências funcionais, a equipa utilizou canais de potássio activados por cálcio como sensores ultra-rápidos, visualizando alterações na concentração de cálcio na ordem dos milissegundos. Juntamente com a determinação das densidades dos complexos das bombas nas membranas celulares por microscopia eletrónica (cerca de 55 complexos por micrómetro quadrado), os investigadores puderam calcular a velocidade de transporte das bombas. Este cálculo foi efectuado em colaboração com o grupo do Prof. Dr. Heiko Rieger da Universidade de Saarland. Os resultados foram publicados em 20 de agosto de 2025, na revista Nature Communications.
O lípido da membrana como fator-chave para o transporte rápido
Como é possível obter taxas de transporte tão elevadas? O princípio molecular subjacente a esta operação ultra-rápida foi clarificado pelos fisiologistas de Freiburg, em particular pelo Dr. Uwe Schulte do Instituto de Fisiologia, em colaboração com o Instituto Max Planck de Fisiologia Molecular, sob a direção do Prof. Dr. Stefan Raunser. Este estudo será publicado na revista Nature. Os cientistas realizaram análises de microscopia crioelectrónica com elevada resolução espacial (2,8-3,6 Å) das bombas PMCA2-neuroplastina em oito estados funcionais do ciclo de transporte. Estes estudos mostram que as bombas de cálcio interagem com o lípido de membrana PtdIns(4,5)P2. A sua ligação promove etapas fundamentais do ciclo de transporte, como a rápida ligação e libertação de iões de cálcio, permitindo assim o bombeamento a uma velocidade excecionalmente elevada. Sem esta interação lipídica, o transporte abranda drasticamente, como demonstram as alterações da estrutura da bomba provocadas por mutações causadoras de doenças. Surpreendentemente, os investigadores descobriram também que a atividade de bombeamento rápido dos complexos PMCA2-neuroplastina é fortemente inibida pela tapsigargina, um inibidor bem conhecido das bombas de cálcio intracelulares - com base na sua perturbação da ligação da PtdIns(4,5)P2 ao seu local na subunidade PMCA.
Importância para o cérebro e a medicina
O conhecimento da estrutura tridimensional dos complexos de bombas e a compreensão da regulação da atividade de transporte dependente dos lípidos poderão proporcionar novos alvos farmacológicos para o controlo específico das vias de sinalização do cálcio.
Observação: Este artigo foi traduzido usando um sistema de computador sem intervenção humana. A LUMITOS oferece essas traduções automáticas para apresentar uma gama mais ampla de notícias atuais. Como este artigo foi traduzido com tradução automática, é possível que contenha erros de vocabulário, sintaxe ou gramática. O artigo original em Inglês pode ser encontrado aqui.
Publicação original
Cristina E. Constantin, Barbara Schmidt, Yvonne Schwarz, Harumi Harada, Astrid Kollewe, Catrin S. Müller, Sebastian Henrich, Botond Gaal, Akos Kulik, Dieter Bruns, Uwe Schulte, Heiko Rieger, Bernd Fakler; "Ca2+-pumping by PMCA-neuroplastin complexes operates in the kiloHertz-range"; Nature Communications, Volume 16, 2025-8-20
Deivanayagabarathy Vinayagam, Oleg Sitsel, Uwe Schulte, Cristina E. Constantin, Wout Oosterheert, Daniel Prumbaum, Gerd Zolles, Bernd Fakler, Stefan Raunser; "Molecular mechanism of ultrafast transport by plasma membrane Ca2+-ATPases"; Nature, 2025-8-20
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