Princípios de função da célula e da membrana plasmática

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02/06 → prova (vai até sistema nervoso autônomo)
Princípios de função da célula e da membrana plasmática
1. Visão geral Células eucarióticas
· Células eucarióticas, diferentemente das procarióticas, apresentam núcleo delimitado por membrana.
· Com exceção das hemácias e das células encontradas no cristalino do olho, todas as células humanas apresentam núcleo.
	Componente
	Função Principal
	Citosol
	Metabolismo, síntese proteica (ribossomos livres)
	Citoesqueleto
	Formato e movimento da célula, transporte intracelular
	Núcleo
	Genoma (22 cromossomos autossômicos e 2 cromossomos sexuai), síntese de DNA e RNA
	Mitocôndria
	Síntese de ATP por fosforilação oxidativa, armazenamento de Ca+2
	Retículo endoplasmático liso
	Síntese de lipídeos, armazenamento de Ca+2
	Ribossomos livres
	Tradução do RNAm em proteínas citosólicas
	Retículo endoplasmático rugoso
	Tradução do RNam em proteínas associadas à membrana ou destinadas à secreção para fora da célula
	Endossomo
	Captação celular de colesterol, remoção de receptores da membrana plasmática, captação de pequenas moléculas e de água para dentro da célula, internalização de partículas grandes (bactérias e restos celulares)
	Complexo de Golgi
	Modificação, separação e empacotamento de proteínas e lipídios para a distribuição a outras organelas celulares, ou para secreção para fora da célula
	Proteossomo
	Degradação de proteínas intracelulares
	Peroxissomo
	Detoxificação de substâncias
2. Membrana Plasmática
· Células são circundadas pela membrana plasmática, separando o conteúdo intracelular do ambiente extracelular
· Funções gerais da membrana:
1. Transporte seletivo de moléculas para dentro e para fora da célula, função esta exercida pelas proteínas de transporte da membrana.
2. Reconhecimento celular por meio de antígenos pela superfície
3. Comunicação celular por meio de receptores para neurotransmissor e hormônio, por vias de transdução de sinal.	
4. Organização tecidual, como as junções celulares temporárias e permanentes
5. Determinação formato celular
· Estrutura e composição: Modelo do mosaico fluido
· Bicamada lipídica de 5nm de espessura contendo proteínas associadas, sejam estas integralmente agregadas à bicamada ou mais frouxamente presas às superfícies.
· Lipídios de membrana: fosfolipídeos, fosfoglicerídeos e colesterol. Fosfolipídios são moléculas anfipáticas, que contém uma cabeça hidrofílica e duas cadeias hidrofóbicas de ácidos graxos. Principais fosfolipídios: fosfatidilcolina, esfingomielina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilinositol. O colesterol é um componente vital para a bicamada lipídica, serve para estabilizar a membrana à temperatura corporal normal (37°C). Já um componente lipídico minoritário são os glicolipídios (duas cadeias de ácido graxos ligadas a uma cabeça polar), cujo papel fundamenta-se na ancoragem de proteínas ao folheto externo da membrana. Além disso, algumas regiões da membrana contém lipídios que se agregam nas balsas lipídicas, comumente associadas à proteínas específicas e com a função de segregar moléculas sinalizadoras.
A fluidez da membrana é determinada pela temperatura e por sua composição lipídica (+T = +fluidez; presença de cadeias de ácidos graxos não saturados nos fosfolipídios e glicolipídios aumenta a fluidez = presença de insaturação introduz uma “dobra” na molécula, que impede que ela se associe estreitamente com os lipídios circundantes e, portanto, permite uma maior fluidez)
· Proteínas de membrana: classificadas como integrais, ancoradas a lipídio ou periféricas. 
· Proteínas Integrais: imersas na bicamada lipídica, resíduos de aminoácidos hidrofóbicos se associam às cadeias hidrofóbicas de ácidos graxos dos lipídeos da membrana. Muitas proteínas integrais atravessam a bicamada, levando o nome de proteínas transmembranares. Proteínas transmembranares têm regiões hidrofóbicas (alfa-hélice) e hidrofílicas.
· Proteínas ancoradas a lipídios: proteína se fixa de maneira covalente a uma molécula lipídica.
· Proteínas periféricas: associadas aos grupos polares dos fosfolipídios que compõem a membrana, acopladas por interações eletrostáticas.
· Glicoproteínas + glicolipídios = glicocálix. Podem estar envolvidos com processo de reconhecimento celular e formação de interação célula-célula.
3. Proteínas de transporte de membrana
	Alta especificidade de expressão
· Canais de água ou aquaporinas (AQPs): principais rotas de movimentação de água para dentro e fora da célula. Isoformas de aquaporinas permitem o movimento passivo de H2O através da membrana, porém também fornecem uma via para outras moléculas atravessarem a membrana: glicerol, ureia, manitol, purinas, pirimidinas, CO2 e NH3.A regulação da quantidade de H2O que entra ou sai se dá primariamente por meio da alteração do número de aquaporinas presentes na membrana. 
· Canais iônicos: Fundamentais para o funcionamento de células excitáveis. Sua classificação varia quanto a seletividade (pode ser seletiva ou não), condutância (número de íons que atravessam o canal = variam para cada um) e mecanismo de comporta (fatores que controlam a abertura = voltagem da membrana). Canais iônicos podem ser regulados por uma alteração no número de canais na membrana ou pelo mecanismo de comporta dos canais. 
· Transportadores de soluto (SLCs): SLCs podem ser divididas em 3 grupos de acordo com seu modo de transporte. 
1. Uniportadores (transportadores de difusão facilitada) = transportam uma única molécula através da membrana
2. Simportadores (cotransportadores) = acopla o movimento de duas ou mais moléculas/íons através da membrana.
3. Antiportadores (trocadores) = também acopla o movimento de duas ou mais moléculas/íons através da membrana, porém, neste caso, estas são transportadas em direções opostas. 
· Transportadores dependentes de Trifosfato de Adenosina: proteínas usam a energia contida na molécula de ATP para dirigir o movimento de moléculas/íons através da membrana. Há dois grupos de transportadores dependentes de ATP:
1. ATPases transportadoras de íons = ATPases do tipo P (ATPase é fosforilada durante ciclo de transporte) ou do tipo V. Exemplo clássico de ATPase tipo P = ATPase de Na+/K+ → com a hidrólise de cada molécula de ATP, três íons de Na+ são transportados para fora da célula e dois íons de K+ são trazidos para fora da célula.
2. Transportadores com cassete de ligação a ATP (ABC) = possui domínios de aminoácidos que ligam ATP. Estes transportadores transportam um grupo diversificado de molécuas/íons: Cl-, colesterol, ácidos biliares, fármacos, ferro e ânions orgânicos. 
4. Princípios básicos do transporte de solutos e água
A membrana plasmática, com seu centro hidrofóbico, é uma barreira efetiva ao movimento de quase todas as moléculas de importância biológica para dentro ou para fora da célula. Assim, as proteínas de transporte da membrana fornecem a via que permite a ocorrência do transporte para dentro e para fora das células. Entretanto, a presença de uma via não basta para que o transporte ocorra, sendo necessária também a existência de uma força motriz adequada. Estas forças motriz serão discutidas abaixo:
1. Difusão
Processo em que moléculas se movem de modo ESPONTÂNEO de uma área de alta concentração para uma de baixa concentração. 
· A difusão é um processo passivo, utiliza apenas a energia cinética inerente das moléculas e energia potencial armazenada em gradientes de concentração.
· A diferença na concentração de uma substância entre dois locais é chamada de gradiente de concentração (gradiente químico).
	Propriedades gerais da difusão:
· Difusão é inversamente proporcional ao peso molecular e ao tamanho da molécula → +Pequeno = +Rápido
· Difusão é diretamente relacionada à temperatura → +T = +Rápida
· Difusão é mais rápida na presença de grandes gradientes de concentração
· Difusão é mais rápida quando ocorre em meio de baixa viscosidade
· Difusão pode ocorrer em um sistema abertoou através de uma membrana divisória que separa dois sistemas (MEMBRANA SEMIPERMEÁVEL).
OBS: ÍONS NÃO SE MOVEM POR DIFUSÃO. A DIFUSÃO É UM MOVIMENTO ALEATÓRIO A FAVOR DO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO. O MOVIMENTO DE ÍONS É INFLUENCIADO POR GRADIENTES ELÉTRICOS PELA ATRAÇÃO DE CARGAS OPOSTAS E REPULSÃO DE CARGAS SIMILARES → Por isso, os íons movem-se em resposta ao gradiente eletroquímico.
1.1 Difusão simples
A vasta maioria das moléculas de importância biológica atravessa as membranas celulares por meio de transportadores de membrana específicos, em vez de difusão pela porção lipídica da membrana. Apenas moléculas lipofílicas podem se difundir pela bicamada lipídica.
A difusão direta através da bicamada fosfolipídica de uma membrana é denominada difusão simples.
O processo de difusão é importante para compreender as trocas gasosas nos pulmões, o movimento das moléculas pelo citoplasma celular e o movimento das moléculas entre as células no líquido extracelular. 
· A taxa de difusão depende da capacidade de a molécula se dissolver na bicamada lipídica da membrana (o quão permeável é a membrana para essa molécula). Exceção: água → embora polar, pode se difundir lentamente através de algumas membranas fosfolipídicas.
· A taxa de difusão através da membrana é diretamente proporcional à área de superfície da membrana (+área superfície = +molécula pode difundir). Doença enfisema destrói tecido pulmonar, diminuindo a área de superfície disponível para difusão de oxigênio.
Processo de difusão simples é representado matematicamente pela Lei de Difusão de Fick, que descreve o fluxo de uma molécula através da membrana → diz que o fluxo de uma molécula através de uma membrana depende do gradiente de concentração e da permeabilidade da membrana à molécula.
1.2. Difusão Facilitada
No corpo, a difusão simples é limitada a moléculas lipofílicas (água exceção). A maioria das moléculas do corpo são lipofóbicas ou eletricamente carregadas, o que impede sua passagem pela membrana através de difusão simples.
A grande maioria dos solutos atravessa as membranas com ajuda de proteínas de membrana, por um processo chamado transporte mediado. Se o transporte mediado é passivo e move as moléculas a favor do gradiente de concentração, o processo é chamado de difusão facilitada.
Dois principais tipos de proteínas de transporte: 
· Canais → cria passagem de um agregado cilíndrico preenchido de água, são mais rápidas mas se limitam a transportar pequenos íons e água; canal pode ser aberto ou fechado (portão) → abertura ou fechamento dos portões dos canais pode ser controlado quimicamente, mecanicamente (aumenta T ou Pressão) ou por voltagem. Ex famoso: aqua porina ou canal iônico (podem ser específica, seletividade se dá pelo diâmetro do poro)
· Carreadoras → ligam-se com substratos específicos e os transportam através da membrana pela modificação da sua conformação. Pequenas moléculas orgânicas (glicose, aminoácidos) cruzam as membranas utilizando carreadores, são grandes demais para passar pelos canais. Tipos de carreadores: uniportes (1 tipo de molécula), cotransportadora (2 tipos molécula), simporte (moléculas transportadas se movem na mesma direção) e antiportes (moléculas estão sendo transportadas em direções opostas). Mecanismo parecido com uma porta giratória. A molécula a ser transportada se liga ao carregador em um dos lados da membrana, que muda a conformação da proteína carreadora, de forma que a abertura se fecha. Carreadores tem como característica a especificidade, competitividade (substratos competem um com o outro por locais de ligação no transportador), saturação (taxa de transporte do substrato depende da concentração de substrato → pode atingir máximo)
ex: proteínas GLUT → transportadoras de glicose.
2. Transporte ativo
Processo que transporte as moléculas contra os seus gradientes de concentração, que requer gasto de energia → cria um estado de desequilíbrio. A energia do transporte ativo vem direta ou indiretamente das ligações fosfato ricas em energia do ATP.
2.1. Transporte ativo primário
A energia que empurra as moléculas contra os seus gradientes de concentração vem DIRETAMENTE das ligações fosfato de alta energia do ATP.
Muitos transportadores ativos primários são chamados de ATPases, enzimas que hidrolisam ATP a ADP e fosfato inorgânico, liberando energia no processo. 
ex: bomba de sódio e potássio → é a proteína de transporte mais importante em células animais, mantendo os gradientes de concentração de Na+ e K+ através da membrana celular (bombeia 3Na+ para fora e 2K+ p dentro para cada ATP consumido).
2.2 Transporte ativo secundário
Utiliza a energia potencial armazenada no gradiente de concentração de uma molécula para empurrar outras moléculas contra os seus gradientes de concentração. Não utiliza diretamente a energia metabólica do ATP e depende de proteínas transportadoras encontradas na membrana.
Os sistemas de transporte ativo secundário mais comuns são impulsionados pelo gradiente de concentração do sódio → a energia para a realização desse tipo de transporte depende da energia gasta pela bomba de sódio e potássio, o movimento de partículas está associado à diferença de concentração de íons estabelecida pelo transporte ativo primário. 
ex: cotransportador Na+ -glicose (SGLT) → Na+ e glicose se ligam à proteína SGLT: Na+ se liga primeiro, mudando a conformação da proteína, que um sítio de ligação de alta afinidade para a glicose. Glicose se liga ao SGLT, mudando a conformação da proteína novamente, que abrindo seu canal para o lado do líquido intracelular → Na+ e Glicose são liberados para o LIC (Glicose segue o gradiente de Na+ → íon se move a favor do seu gradiente).
5. Transporte Vesicular → processo ativo
O que acontece com as macromoléculas que são muito grandes para atravessar a célula pelas proteínas-canal ou carreadores? Movem-se com a ajuda de vesículas. Há dois mecanismos básicos para esse processo: endocitose e exocitose.
· Soluto e água podem ser englobados por endocitose (pedaço da membrana pinça e internaliza elemento) e liberados da célula por exocitose (vesículas se fundem à membrana). Em algumas células, observa-se o processo de endocitose seguido de uma exocitose através da membrana oposta = transcitose.
· Endocitose ocorre de três formas:
1. Pinocitose: captação inespecífica de pequenas moléculas e água. ex: células endoteliais, tomando papel de troca de líquidos nos capilares
2. Fagocitose: internalização celular de partículas grandes, projetando pseudópodes→ forma o fagossomo, que se unirá ao lisossomo. ex: células sistema imune. Com frequência, a fagocitose é um processo mediado por um receptor.
3. Endocitose mediada por receptor: ocorre nas regiões da membrana conhecidas como poços revestidos, é um processo que permite a captação de moléculas específicas. As moléculas se ligam a receptores na superfície celular.
· Reciclagem de membrana: a membrana removida da superfície da célula por endocitose é reciclada de volta para a superfície da célula por exocitose. 
· Exocitose pode ser constitutiva ou regulada. Constitutiva: plasmócitos que secretam imunoglobulinas ou fibroblastos secretores de colágeno. Regulada: ocorre nas células endócrinas, neurônios e células glandulares exócrinas. Nestas células, o produto secretório, após síntese e processamento no Retículo Endoplasmático Rugoso e Complexo de Golgi, é armazenado no citoplasma dentro de grânulos secretórios até que recebam um sinal, seja este um sinal hormonal ou neural. Ao receber o estímulo adequado, a vesícula secretora se funde à membrana plasmática e libera seu conteúdo no meio extracelular. 
6. Transporte Epitelial (p.180)
Até agora só foi estudado transporte através de uma única membrana. Entretanto, as moléculas que permeiam todo o corpo devem atravessar uma camada de células epiteliais, conectadas umas às outras através de junções de adesão e de oclusão.
O movimento através de um epitélio pode ocorrer como transporte paracelular através das junções entre as células vizinhas ou como transporte transcelularatravés das células epiteliais. 
O epitélio de transporte tem diferentes proteínas de membrana nas suas superfícies apical e basolateral. Esta polarização permite o movimento em uma única direção das moléculas que cruzam o epitélio.
As moléculas maiores atravessam o epitélio por transcitose, que inclui o transporte vesicular.
Principais estudos sobre transporte epitelial envolve os epitélios de transporte do intestino e do rim, que são especializados em transportar seletivamente moléculas para dentro e para fora do corpo.
7. O potencial de membrana em repouso
· Em geral, o corpo é eletricamente neutro: para todo cátion, há um ânion correspondente. PORÉM, os íons não são distribuídos uniformemente entre LEC e LIC → compartimento intracelular e extracelular estão em um estado de desequilíbrio elétrico. 
· O desequilíbrio elétrico que existe entre o líquido extracelular e o líquido intracelular é chamado de diferença de potencial de membrana (Vm), que se opõe ao movimento de íons a favor do gradiente de concentração → Gradiente de concentração de íons entre LEC e LIC + permeabilidade seletiva da membrana cria o potencial de membrana.
· Equilíbrio eletroquímico: não há movimento líquido de íon através da membrana celular.
· Potencial de equilíbrio: o potencial de membrana que se opõe ao gradiente de concentração é denominado potencial de equilíbrio (Eion). O cálculo do potencial de equilíbrio para qualquer gradiente de concentração é dado pela equação de Nernst:
Equação de Nernst é utilizada para uma célula livremente permeável para apenas um íon de cada vez.
· O movimento de K+ para fora da célula a favor do seu gradiente de concentração cria um gradiente elétrico. A combinação de gradientes elétricos e de concentração é chamada de gradiente eletroquímico. 
· Todas as células vivas estão em desequilíbrio químico e elétrico → este desequilíbrio elétrico é chamado de diferença de potencial em repouso da membrana. O potencial de repouso é resultado da separação de cargas (íons) através da membrana. O excesso de cargas negativas na superfície interna da membrana e positivas na superfície externa representam uma fração muito pequena do total de íons dentro e fora da célula. Devido a essa densidade de carga diferente dos dois lados, a membrana pode ser comparada a um capacitor, isto é, dois materiais condutos (meio intra e extracelular) separados por um material isolante (a bicamada lipídica). Essa separação de cargas gera uma diferença de potencial elétrico ou voltagem, chamada de potencial de repouso da membrana (Vm).
· A permeabilidade para K + e Na + , no repouso, é determinada pela proporção dos canais passivos abertos para cada um desses íons presentes na membrana. Vamos imaginar uma célula hipotética cuja membrana seja permeável somente ao íon K + . Como o K + está mais concentrado dentro da célula, esse íon tende a sair por difusão seguindo seu gradiente de concentração (gradiente químico), resultando na saída de cátions do interior da célula. O gradiente químico do K + gera um gradiente elétrico (separação de cargas) através da membrana e quanto maior o efluxo de K + , maior será esse gradiente elétrico. Em conseqüência disso, aumenta também a força que tende a restringir a saída de K + . Essa força é de origem elétrica e surge da atração que as cargas negativas do lado interno da membrana exercem sobre as cargas positivas. Esse íon sai da célula até que a força difusional que o empurra para fora se iguala à força elétrica que o atrai. Podemos dizer que a difusão ou o processo de saída de K + é auto-limitante pois cria uma outra força (atração eletrostática) que o limita e também que esse processo gera uma diferença de potencial elétrico
· O potencial de membrana em repouso é devido principalmente ao potássio. A maioria das células no corpo humano é cerca de 40 vezes mais permeável ao K+ do que ao Na+, e o potencial de membrana em repouso é de cerca de -70mV. A Na-K-ATPase ajuda a manter o potencial de membrana em repouso, removendo o Na+ que vaza para dentro da célula e repondo o K+ que vazou. 
· Se a permeabilidade da célula para um íon muda, o potencial de membrana da célula muda. Na maior parte dos casos, o potencial de membrana muda em resposta ao movimento de qualquer um destes quatro íons: Na+, Ca2+, Cl- e K+.
Comunicação Célula a Célula
· Basicamente, existem somente dois tipos básicos de sinais fisiológicos: elétrico e químico. Os sinais elétricos são mudanças no potencial de membrana da célula, enquanto que os sinais químicos são moléculas secretadas pelas células no líquido extracelular e fazem maior parte da comunicação interna; as células que respondem aos sinais elétricos ou químicos são chamados de células alvo.
Corpo utiliza quatro métodos básicos de comunicação:
· Junções comunicantes → transferência direta de sinais elétricos e químicos pelas junções, que são canais proteicos que criam pontes citoplasmáticas entre células adjacentes.
· Sinais dependentes de contato → necessitam da interação entre moléculas da membrana de duas células. Ex: moléculas de adesão celular (CAM).
· Substâncias químicas que se difundem pelo líquido extracelular (sinal paracrino e sinal autocrino). Moléculas sinalizadoras parácrinas e autócrinas chegam até suas células-alvo por difusão através do líquido intersticial.
· Comunicação de longa distância → pode usar sinais elétricos transmitidos pelos neurônios ou sinais químicos transportados pelo sistema circulatório (hormonios, neurotransmissores, neurohormonios). Citocinas → durante o desenvolvimento e a diferenciação, as citocinas geralmente funcionam como sinalizadores autócrinos ou parácrinos. Diferentemente dos hormônios, qualquer célula nucleada pode secretar citocinas;
Vias de Sinalização
· Proteínas receptoras → uma célula pode responder a um sinal químico particular apenas se ela possuir um receptor proteico apropriado para se ligar a esse sinal. Se uma célula-alvo possuir um receptor para a molécula sinalizadora, a ligação desta molécula ao seu receptor inicia uma resposta.
Cerca de metade dos medicamentos em uso atuam em proteínas receptoras.
Os receptores proteicos de células-alvo podem ser encontrados no núcleo, no citosol ou na membrana celular => o local onde o sinal químico se liga ao seu receptor depende muito de se a molécula sinalizadora é lipofílica ou lipofóbica. 
· Transdução de sinal: processo pelo qual uma molécula sinalizadora extracelular ativa um receptor de membrana, que, por sua vez, altera moléculas intracelulares para gerar uma resposta. 
· Transdutor: dispositivo que converte uma forma de sinal em uma forma diferente.Proteínas de membrana atuam como transdutores = convertem a mensagem de sinais extracelulares em moléculas de mensageiros intracelulares que iniciam uma resposta. 
Padrão básico de uma via de transdução de sinal biológico:
sinal externo → receptor → transdutor → amplificador → resposta.
· Cascatas: Os passos de uma via de transdução formam uma cascata. Uma cascata e sinalização inicia quando um estímulo (molécula sinalizadora) converte uma molécula inativa A (receptor) em uma forma ativa. A molécula A ativada, então, converte a molécula B inativa em B ativa, etc…