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1. CÉLULAS, SUA COMPOSIÇÃO QUÍMICA E MEMBRANAS CELULARES ARA0009 – BASES DE BIOLOGIA CELULAR E GENÉTICA Alga olho-do-marinheiro (Valonia ventricosa) pode medir até 5 centímetros de diâmetro • 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA • 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR 1. Células, Sua Composição Química e Membranas Celulares 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Membrana plasmática • Parte mais externa da célula da maioria dos eucariontes • É o envoltório que delimita a célula e separa o citoplasma do meio extracelular, servindo para manter constante a sua individualidade. • Morfologicamente estruturada como uma bicamada fosfolipídica. Eletromicrografia de células observadas ao microscópio eletrônico de transmissão (MET), destacando a membrana celular. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA 1.1 CÉLULAS EUCARIONTES ✓ Controle da entrada e saída de moléculas e íons na célula, bem como, em suas organelas (permeabilidade seletiva) conferida pela estrutura básica da membrana e por proteínas transportadoras; ✓ Participa dos processos de endocitose, transcitose e exocitose além de promover processos de deslocamentos de compostos pelo citoplasma e envio de moléculas de uma organela para outra, através de vesículas ✓ Participa de processos de comunicações entre as células; ✓ Funciona como isolante elétrico na bainha de mielina; ✓ Possui outras funções específicas particulares de algumas membranas. FUNÇÕES ✓ Delimitação e proteção. ✓ Responsável pela constância do meio intracelular e do interior de organelas; ✓ Reconhecimento celular e da adesão entre células e elementos da matriz extracelular (proteínas e glicoproteínas específicas); ✓ Sinalização celular: presença de receptores para fatores de crescimento, hormônios, dentre outras moléculas sinalizadoras; ✓ Suporte para enzimas pertencentes a uma mesma via metabólica ou cadeia transportadora de elétrons (dinâmica sequencial do processo); 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA • Vamos tentar lembrar algumas funções? 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Características da membrana plasmática • Estrutura delgada que envolve a célula (7,5 ~ 10nm de espessura) • Visível apenas em microscopia eletrônica. • Composta por lipídios, proteínas e carboidratos. • Estrutura básica encontrada nas demais membranas celulares, • Sistemas de endomembranas • Organelas • Envoltório nuclear. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Ultraestrutura da membrana • As membranas celulares, incluindo a membrana plasmática, possuem a mesma estrutura básica e são formadas pelos componentes apresentados a seguir. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Fosfolipídios e esfingolípidios Colesterol Proteínas Carboidratos Fosfolipídios e esfingolipídios • Categoria molecular mais abundante da membrana. • Constituídos de dois ácidos graxos ligados por fosfato de glicerol a um grupo polar. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Polar- Hidrofílico Apolar- Hidrofóbico Essa conformação dos fosfolipídios, com uma região hidrofílica e outra hidrofóbica, os caracteriza como moléculas anfipáticas. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Fosfolipídios e esfingolipídios • Esta característica é essencial para formação e manutenção da bicamada lipídica, uma vez que, as caudas apolares tendem a se localizar no interior da bicamada, enquanto as cabeças polares ficam expostas ao meio aquoso citoplasmático ou extracelular. Fosfolipídios e esfingolipídios • As cadeias de hidrocarbonetos dos fosfolipídios podem ser saturadas ou não. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Fosfolipídios e esfingolipídios 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Em meio aquoso, os fosfolipídios tendem naturalmente a formar bicamada, com as caudas apolares voltadas para a região hidrofóbica e as cabeças hidrofílicas em contato com a água. A bicamada lipídica proporciona fluidez à membrana e forma uma barreira de permeabilidade seletiva. Esfingolipídeos • Segunda maior classe de lipídeos de membranas em animais e vegetais. • Contêm apenas um aminoálcool de cadeia longa. 1. Esfingomielina: Presente na maioria das membranas plasmáticas das células animais. Encontrada em grande quantidade na bainha de mielina que reveste e isola os axônios em alguns neurônios. 2. Glicoesfingolipídeos: quase totalmente encontrados nas células das membranas do cérebro. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Localiza-se entre as caudas hidrofóbicas, alterando a compactação dos ácidos graxos. Ele reforça a bicamada lipídica, tornando-a mais rígida e menos permeável. Isso acontece porque as moléculas de colesterol impedem que as cadeias carbônicas interajam de forma potente - o que resultaria em um estado gelatinoso da membrana. Quanto mais moléculas de colesterol na membrana, mais rígida ela é, enquanto menos moléculas fazem com que ela fique mais fluida. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Colesterol 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Colesterol 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Proteínas • São responsáveis pela maioria das funções específicas das membranas (transporte de íons e moléculas polares, transdução de sinais, interação com hormônios, neurotransmissores e fatores de crescimento, entre outros indutores químicos). estabilização estrutural transdução de sinais através da membrana 50% da massa da maioria das membranas é composta por proteínas Transportadoras Proteínas de adesão Receptores Enzimas 2.1 Membrana Plasmática: estrutura, funções, especializações, transporte e sinalização Proteínas 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Proteínas PROTEÍNAS • Podem ser separadas em dois grupos: as integrais ou intrínsecas e as periféricas ou extrínsecas, dependendo da facilidade de extraí-las da bicamada lipídica. PROTEÍNAS INTEGRAIS DE MEMBRANA PROTEÍNAS PERIFÉRICAS 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA PROTEÍNAS • Algumas proteínas são integrais: atravessam inteiramente a bicamada lipídica, fazendo saliência em ambas as superfícies da membrana, sendo denominadas proteínas transmembrana. • As proteínas transmembrana podem atravessar a membrana uma única vez, ou então apresentar a molécula muito longa e dobrada, atravessando a membrana várias vezes, recebendo então o nome de proteínas transmembrana de passagem múltipla. • Domínio proteico transmembrana: estrutura α-hélice. • Aquaporinas: conduzem seletivamente as moléculas de água, para dentro e fora da célula, ao mesmo tempo prevenindo a passagem de íons e outros solutos. As aquaporinas também são denominadas canais de água. As moléculas de água atravessam os canais em fila. A presença deste canais aumenta a permeabilidade das membranas à água e sua quantidade vai reduzindo com o aumento da idade. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA PROTEÍNAS Diferentes tipos de proteínas transmembranares: 1. Unipasso 2. Multipasso em alfa-hélice 3. Multipasso em folha-beta 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Canais para transporte seletivo de pequenas moléculas solúveis em água Poro aquoso α-hélice transmembrana Bicamada lipidica 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Proteínas Estão ligadas ao transporte de moléculas polares e moléculas grandes 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕESDA MEMBRANA PLASMÁTICA Proteínas 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA CARBOIDRATOS • Encontram-se na face externa da membrana citoplasmática, e nas organelas citoplasmáticas eles se voltam para o lúmen . • Desempenham importantes funções como: • Reconhecimento celular; • Adesão celular; • Proteção química contra enzimas hidrolíticas e outros compostos; • Proteção mecânica; • Determinação do tipo sanguíneo (participação da identidade de eritrócitos), • Contribuem para o isolamento elétrico de neurônios, atraição de íons (principalmente cátions) e água. Eletromicrografia destacando a presença do glicocálix (glicocálice) e das microvilosidades na membrana citoplasmática de células do epitélio intestinal. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA CARBOIDRATOS • Sinal de distinção celular: sistema ABO • Determinação de grupos sanguíneos • Diferentes tipos de glicídios ligados à membrana das hemácias (glóbulos vermelhos do sangue ou eritrócitos). ✓A diferença é determinada pela presença N- Aceligalactosamina no tipo A, Galactose no tipo B e a ausência de monossacarídeo nesta posição no tipo 0. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA CARBOIDRATOS • Composição • Constante: fragmentos de glicídios acrescidos às glicoproteínas e glicolipídeos. • Variável: glicoproteínas e glicoaminoglicanas, sintetizadas e incorporadas à membrana plasmática Modelo do mosaico fluido 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA • A disposição dos elementos na membrana é assimétrica e permite o deslocamento principalmente da fração lipídica • Mosaico Fluido é como é chamada a dupla camada lipídica nas membranas biológicas; uma estrutura fluida, dinâmica, onde estão distribuídas moléculas proteicas. Modelo do mosaico fluido 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Modelo do mosaico fluido • Fluidez é determinada pela composição lipídica e temperatura: ✓ Grau de SATURAÇÃO das cadeias dos ácidos graxos ✓ COMPRIMENTO das cadeias hidrocarbonadas ✓ TEMPERATURA ✓ presença de COLESTEROL interpostas na bicamada OBS: O colesterol não está presente nas membranas das células vegetais, onde podemos encontrar os fitoesteróis (outro tipo de esteroide 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Modelo do mosaico fluido • Fluidez é determinada pela composição lipídica e temperatura: o colesterol diminui a fluidez da membrana torna a membrana mais rígida e menos permeável 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA FUNÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA • Manutenção da integridade da estrutura da célula; • Controle da movimentação de substâncias para dentro e fora da célula (permeabilidade seletiva); • Regulação das interações intercelulares; • Reconhecimento através de receptores de antígenos de células estranhas e células alteradas; • Interface entre o citoplasma e o meio externo; • Estabelecimento de sistemas de transporte para moléculas específicas; • Transdução de sinais extracelulares. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Boa elasticidade Devido a presença de proteínas específicas que oferecem esta capacidade. Boa capacidade de regeneração Ocorre regeneração rápida para pequenas rupturas de membrana. Boa resistência elétrica Devido a presença dos lipídios que são bons isolantes térmicos e elétricos. Baixa tensão superficial A força de união entre as moléculas de lipídios é pequena. Permeabilidade seletiva A membrana seleciona tudo o que entra ou sai da célula. ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA • modificações ou especializações de certos trechos da membrana plasmática, cujas principais funções incluem: • Aumentar a adesão celular. • impedir ou facilitar o trânsito de substâncias de uma célula para outra ou para o meio externo, • Auxiliar no movimento de algumas células. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Células intestinais com modificações da membrana que aumentam sua capacidade de absorção de substâncias externas. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Microvilosidades • Projeções citoplasmáticas delgadas, imóveis na região apical da célula • Aumentam a superfície de contato e de troca da célula com o meio, permitindo maior eficiência na absorção • Células absortivas do epitélio intestinal e nos túbulos proximais dos rins. Cìlios • Numerosas projeções cilíndricas curtas com movimentos rítmicos • Deslocam muco e outras substâncias na superfície do epitélio, como os cílios encontrados no epitélio das tubas uterinas ou nas células respiratórias. Flagelos • Projeções cilíndricas longas, móveis • Dão movimento à célula, como o que existe nos espermatozoides. As células geralmente possuem um ou pouquíssimos flagelos. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Interdigitãções • Saliências e reentrâncias da membrana celular que estabelecem a união e a comunicação com as células vizinhas • Aumentam a extensão da superfície celular, facilitando as trocas entre as células. • Encontradas, por exemplo, em células epiteliais. Desmossomos • Especializações em forma de placa arredondada que aumentam a adesão entre células vizinhas. • Trata-se de locais onde o citoesqueleto se prende à membrana celular e, ao mesmo tempo, as células aderem umas às outras. Zonas de adesão • Trata-se de estruturas semelhantes às dos desmossomos, que formam um cinto contínuo em volta da célula. • Tais zonas são formadas por filamentos de actina e miosina e encontradas em células epiteliais. 1.3 CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES E ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Zonas oclusivas • Também denominadas junções de oclusão • São responsáveis pela vedação entre as células. • Formam um cinturão ao redor das células epiteliais para impedir a passagem e o armazenamento de substâncias nos espaços intercelulares, vedando a comunicação entre os meios. Junções comunicantes • Permite a sinalização celular por meio de íons e moléculas que atravessam do citoplasma de uma célula diretamente para o da célula seguinte. • A passagem do sinalizador se dá pelo interior de um poro formado pelas extremidades de duas proteínas, cada uma proveniente de uma célula em junção. • Por sua rapidez e eficiência trata-se do tipo de junção mais frequente entre as células, sendo encontrado em praticamente todas as células dos vertebrados, exceto em células sanguíneas, espermatozoides e músculo esquelético. Permeabilidade e mecanismos de transporte transmembrana • Dizemos que a membrana possui permeabilidade seletiva, isto é, a capacidade de controlar quais moléculas atravessam seus domínios, devido à sua natureza lipídica. • Para que os elementos possam atravessar a membrana, é necessário corresponder a alguns critérios que envolvem tamanho, polaridade e carga. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR moléculas pequenas, apolares e sem carga atravessam com mais facilidade a bicamada lipídica. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR As substâncias se movem naturalmente, segundo um gradiente de concentração, da região de alta concentração para a de mais baixa concentração ou do meio hipertônico para o meio hipotônico: 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Concentração das Soluções •Solução Hipotônica = é a menos concentrada. •Solução Hipertônica = é a mais concentrada. •Soluções Isotônicas = são soluções de concentrações iguais. Mecanismos de transporte transmembrana 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Moléculas de corante Membrana (a) Transporte passivo de um tipo de molécula. Equilíbrio (b) Transporte passivode dois tipos de moléculas. Equilíbrio TRANSPORTE PASSIVO • Transporte passivo: é a passagem de uma substância através da membrana plasmática de uma região onde ela está mais concentrada para uma onde está menos concentrada, sem gasto de energia 1. Difusão simples 2. Difusão facilitada 3. Osmose. TRANSPORTE PASSIVO 1. Difusão simples : É a passagem de soluto do meio hipertônico para o meio hipotônico através de uma membrana permeável. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Hipertônica Hipotônica Isotônicas 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR TRANSPORTE PASSIVO 2. Difusão Facilitada : É a passagem de soluto do meio hipertônico para o meio hipotônico, através de uma membrana permeável, com ajuda das proteínas transportadoras (permeases). A - Permeases incrustadas na membrana, prontas pra se ligarem a outros compostos. B - Ao tocar na proteína receptora, a substância é capturada. C - A permease muda de forma e se movimenta na camada de lipídio, levando a molécula capturada para o outro lado. D - A substância transportada é liberada dentro da célula e a permease adquire sua configuração original. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR TRANSPORTE PASSIVO 3. OSMOSE: É a passagem de solvente do meio hipotônico para o meio hipertônico, através de uma membrana semi- permeável. Solução Hipotônica Solução Hipertônica Soluções Isotônicas Molécula de açúcar (soluto) Membrana Osmose 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Célula Animal Normal Hemólise Plasmolisada Célula Vegetal Flácida Túrgida Membrana Plasmática (a) Solução Isotônica (b) Solução Hipotônica (c) Solução Hipertônica Crenada 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR TRANSPORTE PASSIVO Existem dois grandes grupos de proteínas transportadoras de acordo com o tipo de transporte: 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR TRANSPORTE ATIVO • Transporte ativo: É a passagem de soluto do meio hipotônico para o meio hipertônico, através de uma membrana permeável, com auxílio de proteínas transportadoras. 1. Ocorre contra um gradiente de concentração. 2. Há gasto de energia (ATP). 3. Só ocorre em células vivas. 4. Utiliza-se das permeases, proteínas transportadoras. 5. Há acúmulo de mitocôndrias próximo ao local de transporte. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR • Bomba de Na+ e K+ • Este tipo de transporte se dá, quando íons como o sódio (Na+) e o potássio (K+), tem que atravessar a membrana contra um gradiente de concentração. • Encontramos concentrações diferentes, dentro e fora da célula, para o sódio e o potássio. • Na maioria das células dos organismos superiores a concentração do sódio (Na+) é bem mais baixa dentro da célula do que fora desta. • O potássio (K+), apresenta situação inversa, a sua concentração é mais alta dentro da célula do que fora desta. Meio extracelular Citoplasma Bomba de Na+ e K+ 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR DIREÇÃO DO TRANSPORTE ATIVO: • UNIPORTE = transportadores que carregam um único soluto em uma única direção. ✓ Ex: Proteína ligante de Cálcio • SIMPORTE = transportadores que carregam dois solutos na mesma direção. ✓ Ex: Aminoácidos + sódio do intestino para as células • ANTIPORTE = transportadores que carregam dois solutos em direções opostas. ✓ Ex: Bomba Na+ e K+ 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Difusão simples Difusão facilitada Transporte passivo Transporte ativo BAIXA CONCENTRAÇÃO DE SOLUTOS ALTA CONCENTRAÇÃO DE SOLUTOS Bicamada lipídica Canal protéico Molécula transportada Energia Proteína transportadora RESUMO DOS TIPOS DE TRANSPORTE: Transporte de macromoléculas • As células são capazes de transferir para o seu interior macromoléculas, como as proteínas e até mesmo outros organismos. • ENDOCITOSE (OU EXOCITOSE): alteração na morfologia da membrana celular, formando dobras que englobam o material a ser transportado para o interior (ou exterior) da célula: • Pinocitose • Fagocitose 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Mecanismo de sinalização celular • Comunicação por meio de sinais químicos, dependente da presença de estruturas receptoras na membrana das células. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR As moléculas receptoras da membrana plasmática são específicas para determinado tipo de ligante e desencadeiam uma resposta na célula correspondente ao estímulo do ligante. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Mecanismo de sinalização celular • Há alguns tipos de sinalização de acordo com o tipo de molécula sinalizadora e com as células que possuem receptores para esse fim. 1.4 TRANSPORTE TRANSMEMBRANA E SINALIZAÇÃO CELULAR Mecanismo de sinalização celular