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Introdução à citologia: a célula......................................................................................... 03 Microscopia...................................................................................................................... 06 Microscópio óptico ou de luz............................................................................................ 06 Microscópio eletrônico..................................................................................................... 08 Células eucarióticas x células procarióticas.................................................................... 10 Células animal e vegetal................................................................................................. 14 Membrana plasmática: características e função............................................................ 15 Solução: soluto e solvente.............................................................................................. 17 Transporte através da membrana: transporte passivo.................................................. 18 Difusão simples.............................................................................................................. 18 Difusão facilitada........................................................................................................... 20 Osmose......................................................................................................................... 21 Transporte ativo: a bomba de sódio e potássio............................................................... 23 Transporte por vesículas................................................................................................. 24 Envoltórios externos à membrana plasmática: glicocálice e parede celular.................. 26 Organelas e estruturas citoplasmáticas......................................................................... 28 O citoplasma.................................................................................................................. 29 Os ribossomos................................................................................................................ 29 Retículo endoplasmático rugoso (rer) ou ergastoplasma............................................... 33 Retículo endoplasmático liso (rel) ou não granuloso...................................................... 33 Complexo de golgi (ou aparelho de golgi)...................................................................... 34 Lisossomos..................................................................................................................... 35 Peroxissomos................................................................................................................. 36 Mitocôndrias................................................................................................................... 36 Núcleo............................................................................................................................ 37 Vacúolos......................................................................................................................... 37 Plastos.............................................................................................................................. 38 Digestão celular e apoptose............................................................................................ 38 SUMÁRIO P ro fe ss or S am ue l C un ha APRESENTAÇÃO Agora que você já estudou o módulo 2 e conhece a base molecular da vida, vamos nos dedicar a estudar a unidade fundamental dos seres vivos: a célula. E para iniciarmos a nossa viagem pelo mundo celular vou te contar algumas curiosidades. O corpo humano apresenta, em média, 60 trilhões de células. Se considerarmos que cada célula tem o comprimento médio de 30 µm e organizarmos todas em uma fila, seria possível percorrer a distância entre a Lua e a Terra (400 000 km) 4,5 vezes. Você é uma pessoa alta ou baixa? A diferença entre você e o seu amigo mais alto não é o tamanho das células e sim a sua quantidade. Então, se você mede 1,74 m terá menos células em seu corpo do que uma pessoa que mede 1,95 m. E a última curiosidade é sobre a capacidade de reposição celular do nosso corpo. A pele é o maior órgão do nosso corpo e apresentam inúmeras células epiteliais na sua estrutura. A cada sete dias estas células são renovadas para manter o nosso corpo protegido. INTRODUÇÃO À CITOLOGIA: CÉLULA Há 500 anos atrás a existência das células era desconhecida. A primeira pessoa a observar os microrganismos foi o comerciante Anton van Leeuwenhoek, que usava lentes para observar tecidos. Leeuwenhoek desenvolveu lentes com uma boa capacidade de aumento. Na mesma época, por volta do ano 1665, o famoso Robert Hooke, utilizando um microscópio composto (com mais de uma lente e iluminado com uma vela), observou a cortiça de árvores. 3 P ro fe ss or S am ue l C un ha 4 Hooke descreveu pequenas cavidades no interior das cortiças, dando o nome de célula (diminutivo latino de Cella que significa “lugar fechado”). Mas o que Hooke observou, foi apenas a parede celular, pois a cortiça é um tecido vegetal morto,ou seja, onde as células não estão mais presentes. A cortiça é encontrada na casca (súber) de sobreiros, árvores da espécie Quercus suber. Este material é leve e um ótimo isolante, isso se deve ao fato de ser composta por suberina (um tipo de lipídio) que se deposita na parede celular. As células desse tecido morrem pela presença da suberina, que em fases adiantadas do desenvolvimento celular passa a impedir a entrada de nutrientes. A cortiça pode ser extraída da árvore que tem entre 25-30 anos de idade e entre os meses de Junho e Agosto. Hoje este material, utilizado na produção de rolhas, está sendo substituído por materiais sintéticos. Color Plate 1. Tree characteristics: (a) Trunk with virgin bark, (b) detail of the bark after extraction, (c) acorns. Photos: (a) J. G. Pausas, (b) E. Chirino, (c) F. Selvi. James Aronson, João S. Pereira, and Juli G. Pausas (Ed.), Cork Oak Woodlands on the Edge Ecology, Adaptive Management, and Restoration, Society for Ecological Restoration International, 2009. Em 1820 o botânico Brown, descobriu um “pequeno corpo” presente no interior de algumas células, que nomeou núcleo. E como isso iniciaram questionamentos sobre como estas estruturas biológicas surgem. Na busca por esta resposta, em 1838, outro botânico, o Schleiden conclui que a célula é a unidade básica dos seres vivos e um ano mais tarde o zoólogo alemão Schwann generalizou esse conceito também para os animais. Juntos eles desenvolveram a TEORIA CELULAR que afirma: P ro fe ss or S am ue l C un ha 1. Todos os seres vivos são formados por células; 2. A célula é a menor unidade viva; 3. Células sempre surgem de outras células; Mas e os vírus? Como classificá-los segundo a teoria celular? Sem dúvidas estas estruturas não apresentam organização celular. Porém, isso não é motivo suficiente para não considerar que ele é um ser vivo. Na comunidade científica há pesquisadores que defendem que vírus são seres vivos e outros que defendem que não são. Os pesquisadores que afirmam que os vírus não são seres vivos utilizam os seguintes argumentos: - São acelulares e portanto contrariam a Teoria Celular; - Não tem potencial bioquímico, ou seja, não realizam reações químicas por conta própria; - Só se reproduzem quando estão no interior de outra célula (parasitas intracelulares obrigatórios). Já os pesquisadores que afirmam que os vírus são seres vivos utilizam os seguintes argumentos: − Vírus realizam atividades complexas, como enganar nosso sistema imunológico e causar doenças; − Presença de material genético (RNA ou DNA) com capacidade de transmitirsuas características para os descendentes; − Capacidade de evolução: o material genético viral sofre alterações ao longo do tempo. As 60 trilhões de células que formam o nosso corpo surgiram de apenas UMA célula: o zigoto, formado pela união entre o óvulo e o espermatozoide. O tamanho médio de uma célula animal fica em torno de 10μm e 30μm (5 a 10 vezes menor do que o olho humano pode ver), e por isso para a citologia é fundamental o uso de microscópios. 5 P ro fe ss or S am ue l C un ha MICROSCOPIA O poder de resolução do olho humano é de 0,1mm, o equivalente a 100μm (100 micrometros). Isso quer dizer que se desenharmos dois pontos com a distância de 0,1mm entre cada um ainda será possível identificar cada um deles. Mas se a distância entre eles for menor que 0,1mm precisaremos de ajuda para enxergá-los separadamente. Isso quer dizer que qualquer objeto ou estrutura menor que 0,1mm só será visualizada por humanos se algum dispositivo com lentes de aumento for usado. E no caso da biologia esse dispositivo é o microscópio que pode ser óptico ou eletrônico. Veja na imagem abaixo que estruturas podemos ver utilizando os microscópios ou apenas os nossos olhos. Microscópio óptico ou de luz O microscópio de óptico utiliza luz para a formação das imagens, assim como nosso olho. A diferença entre ele e nossos olhos está no poder de resolução e na capacidade de aumento. O poder de resolução do olho humano é de 100μm, enquanto que do microscópio óptico de luz é de 0,2 μm (equivalente a 0.002000000mm). 6 P ro fe ss or S am ue l C un ha Isso quer dizer que se desenharmos dois pontos com uma distância de 0,2 μm entre si a olho nu não será possível diferenciá-los, mas utilizando um microscópio isso será possível. Os microscópios ópticos são compostos por apresentarem lentes oculares e objetivas que proporcionam o aumento das imagens em até 1500x. As lentes oculares (aumento de 10x) são aquelas em que colocamos os nossos olhos para enxergar e as objetivas (aumento pode variar de 4-100x) são as que ficam próximas do objeto observado. Bizu: O aumento do tamanho da imagem se dá pelo conjunto de lentes convergentes (estudadas em física). Observe a imagem de um microscópio óptico. 7 Para que as imagens sejam formas uma fonte de luz é necessária e deve passar pelo condensador. Ao chegar na platina os raios de luz incidirão em uma lâmina que contém o material a ser observado. Esse feixe de luz passará pela objetiva que está sendo utilizada, e pelo tubo alcançando as oculares. A luz chega ao olho do espectador que consegue ver a estrutura com aumento. O foco da imagem que está sendo vista pode ser ajustado utilizando o macrométrico (ajuste grosso) e o micrométrico (ajuste fino), eles irão mover a platina para baixo e para cima. P ro fe ss or S am ue l C un ha A visualização do material só é possível se este passar por um processo prévio de coloração. Resumidamente é necessário fixar o material biológico na lâmina, para isso costuma-se utilizar algum tipo de álcool. E então é a vez do corante, que é aplicado e permanece em contato por alguns minutos. Após o excesso de corante é removido e quando a lâmina está seca pode ser levada ao microscópio. O material a ser observado fica sobre a lâmina, que é colocada na platina, logo abaixo das lentes objetivas. Dependendo do material a ser observado é necessário que seja utilizado tipos específicos de corantes ou fixadores. Existem alguns corantes que podem ser utilizados na microscopia ótica, a decisão de qual corante utilizar depende de a estrutura que se quer observar ter ou não afinidade por ele. Como exemplos podemos citar a hematoxilina e a eosina. Microscópio eletrônico Este microscópio é consideravelmente mais caro e talvez você que está saindo do Ensino Médio nunca tenha visto um. Mas se for estudar na graduação, algum curso da área de biológicas, pode ter a sorte de chegar perto de um. Ao contrário do microscópio óptico, o eletrônico não depende da luz para formar imagens, e sim de um feixe de elétrons que chegará até o objeto. E no lugar de lentes estão presentes bobinas que funcionam como eletroímãs que desviam o feixe de elétrons para que ele alcance o objeto. Bizu: Este fenômeno é estudado em física, na parte de eletromagnetismo. 8 P ro fe ss or S am ue l C un ha O poder de resolução é muito maior que o do olho. A tecnologia utilizada pelo microscópio eletrônico permite a formação de imagens que são 1 milhão de vezes maiores do que o menor objeto que nossos olhos conseguem ver. A formação de imagens no ME depende também de um computador, que irá processar as informações recebidas e traduzi-las em uma imagem. Existem quatro tipos de microscópios eletrônicos: 1.Microscópio Eletrônico de Transmissão (MET): produzem imagens quando o feixe de elétrons atravessa uma fina fatia da amostra. Este tipo produz as maiores ampliações entre todos os modelos de microscópios eletrônicos. 2.Microscópio Eletrônico de Varredura (MEV): produzem imagens tridimensionais. Depois que os elétrons passam pela amostra os dados eletrônicos são digitalizados com o objetivo de formar as imagens com profundidade. 3.Microscópio Eletrônico de Reflexão (MER): mecanismo de funcionamento similar ao MEV, mas para formar imagens recolhem elétrons retroespalhados ou dispersos após atingirem a amostra. 4.Microscópio Eletrônico de Transmissão e Varredura (METV): mescla os mecanismos de funcionamento do MET e MEV. Microscopia Eletrônica de Transmissão. Imagens da questão 42 na prova de vestibular UFSC, 2015. Disponível em: Acesso em: 10 ago. 2014. 9 P ro fe ss or S am ue l C un ha Microscopia Eletrônica de Varredura. Ovos de Lepidoptera. J Madruga, A Specht, LMG Salik, MM Casagrande. The External Morphology of Mythimna (Pseudaletia) sequax (Lepidoptera: Noctuidae), Neotropical Entomology, 2019. CÉLULAS EUCARIÓTICAS X CÉLULAS PROCARIÓTICAS Todos os seres vivos, com exceção dos vírus, são formados por células. As células podem ser classificadas em procarióticas ou eucarióticas. Os primeiros seres vivos que existiram no planeta Terra eram procariontes, portanto as primeiras células que surgiram eram procarióticas. Milhões de anos se passaram e surgiram as células eucarióticas, nas próximas páginas vamos compreender este processo e aprender a diferenciar os tipos de células. Quando falamos sobre células utilizamos os termos procarióticas e eucarióticas. Para caracterizar os seres vivos utilizamos os termos procariontes e eucariontes. A terminação "ente" significa ser, por isso esses dois termos caracterizam os seres vivos em si e não apenas as estruturas celulares. A estrutura de uma célula procariótica é muito mais simples do que a de uma célula eucariótica. Mas isto não quer dizer que o segundo tipo é mais evoluído que o primeiro, já que ambos existem ao mesmo tempo no planeta. Ou seja, tem as condições necessárias para se manterem vivas e se reproduzirem garantindo a sua perpetuação no contexto ambiental atual. 10 P ro fe ss or S am ue l C un ha Ao analisarmos com atenção uma célula procariótica vamos perceber a existência de uma membrana plasmática, citoplasma, material genético livre no citoplasma e alguns ribossomos para síntese proteica. Os ribossomos são estruturas que também estão presentes nas células eucarióticas. O plasmídeo é uma estrutura encontrada nas células procarióticas. É material genético extra-cromossômico, ou seja, que não está no cromossomo bacteriano. Nele estão os genes associados à resistência bacteriana aos antibióticosque permitem o desenvolvimento das superbactérias. As células eucarióticas apresentam o sistema de endomembranas, um conjunto de organelas (menor parte funcional da célula) que tem sua origem explicada pela endossimbiose. Veja passo a passo como este processo aconteceu: 1. Em um ancestral procarionte a membrana plasmática sofreu invaginação aprisionando enzimas e outras substâncias, ou seja, foi projetada para o interior do citoplasma; 2. Surgem as seguintes organelas com o processo de invaginação: retículos endoplasmáticos e núcleo (com o passar do tempo as demais organelas membranosas são formadas); 3. Um organismo procarionte aeróbico e heterotrófico é internalizado pela célula, a relação estabelecida beneficia as duas células. A eucariótica fornece abrigo e facilita o acesso à diversas substâncias. A procariótica transforma-se na mitocôndria e 11 P ro fe ss or S am ue l C un ha passa a produzir energia (ATP) para a célula; 4. Um organismo procarionte fotossintetizante é internalizado e mais uma relação que beneficia as duas células é estabelecida. O novo organismo dá origem aos cloroplastos (e demais plastos) e assim surge a precursora da célula vegetal. P ro fe ss or S am ue l C un ha Ao final deste processo evolutivo a célula eucariótica terá a seguinte aparência: Como exemplos de organismos procariontes podemos citar as bactérias e as arqueobactérias (organismos capazes de habitar ambientes com condições extremas). E de organismos eucariontes podemos citar dos mamíferos às amebas: protozoários, fungos, plantas e animais. Agora fique atento à duas informações importantes: os ribossomos, apesar de alguns materiais didáticos identificarem estas estruturas como organelas, elas não são. Não estão envoltos por membrana, a sua estrutura consiste em proteínas acopladas. Se você afirmar que a única diferença entre células procarióticas e eucarióticas é a presença de núcleo no segundo tipo está cometendo um erro conceitual. Além da presença do núcleo, as células eucarióticas também apresentam outros compartimentos internos revestidos por membrana (organelas). Por isso, o correto é 13 P ro fe ss or S am ue l C un ha afirmar que as células eucarióticas apresentam sistema de endomembranas. Em breve iremos aprofundar nossos conhecimentos sobre as organelas. CÉLULAS ANIMAL E VEGETAL No estudo da biologia celular é importante que a gente saiba comparar e diferenciar a célula animal da célula vegetal. Ambas são eucarióticas, ou seja, apresentam sistema de endomembranas. As estruturas comuns são: membrana plasmática, núcleo celular, ribossomos, retículo endoplasmático liso e rugoso, complexo golgiense, mitocôndrias, citoesqueleto, lisossomos e peroxissomos. Compare atentamente as imagens a seguir e visualize as estruturas comuns: 14 P ro fe ss or S am ue l C un ha Mas há características que são exclusivas das células vegetais e você pode observá-las na tabela: Bastante informação, certo? Porém, três diferenças você precisa guardar no seu cérebro sem dúvidas: 1.Plastos: organelas para armazenamento de substâncias; os cloroplastos apresentam clorofila e realizam fotossíntese; 2.Parede celular de celulose: revestimento e proteção; 3.Grandes vacúolos: armazenamento de substâncias; MEMBRANA PLASMÁTICA: CARACTERÍSTICAS E FUNÇÃO A membrana plasmática é o envoltório celular comum a TODAS as células. E realiza três funções muito importantes para a homeostase (equilíbrio) da célula: 1. Revestimento da célula; 2. Proteção da célula; 3. Seleção das substâncias que entram e saem da célula (permeabilidade seletiva). 15 P ro fe ss or S am ue l C un ha A estrutura e composição da membrana plasmática é que permite que estas funções sejam realizadas, por isso é importante que você saiba reconhecer suas propriedades químicas e biológicas. Quimicamente dizemos que é uma estrutura lipoprotéica, por apresentar lipídios e proteínas na sua composição, moléculas de colesterol e glicocálice. A estrutura da membrana plasmática foi desvendada por Singer e Nicholson em 1972. Estes pesquisadores, após seus estudos, concluíram que a estrutura alvo de suas pesquisas é um mosaico fluido. Isso se deve ao fato de as proteínas presentes poderem trocar de posição, por isso a fluidez do mosaico composto de proteínas e outras substâncias. Ao analisarmos com atenção o desenho anterior é possível perceber a existência de duas camadas de fosfolipídios. Estas são moléculas de lipídios que tem caráter anfipático, isso quer dizer que parte da molécula é polar e hidrofílica (tem afinidade com a água) e parte da molécula é apolar e hidrofóbica (não tem afinidade com a água). A parte hidrofílica dos fosfolipídios fica em contato com o meio extracelular e o citoplasma, já que ambos apresentam grandes quantidades de água. As caudas hidrofóbicas estão no meio da membrana plasmática em contato com proteínas ou pequenas 16 P ro fe ss or S am ue l C un ha moléculas que transitam pela membrana plasmática, como gás carbônico ou gás oxigênio. As moléculas de água podem transitar pelas camadas da membrana plasmática. O caráter hidrofóbico das caudas não impede o processo, só faz com que ele seja um pouco mais demorado. Há também uma proteína denominada Aquaporina (poro de água) que permite a passagem de moléculas de água mais rapidamente, portanto a célula não tem seu abastecimento comprometido. O colesterol, gordura presente exclusivamente nos animais, tem um papel essencial na manutenção da estrutura da membrana. Ele contribuiu para manter a integridade da bicamada de fosfolipídios e a fluidez de toda a estrutura. O glicocálice é formado por glicolipídios e glicoproteínas. São carboidratos associados a lipídios e proteínas que contribuem para o reconhecimento celular e adesão entre células vizinhas. As proteínas encontradas na membrana plasmática podem ser classificadas como integrais ou periféricas. As integrais atravessam a bicamada de um lado até o outro, é o que acontece com as proteínas canais, como as aquaporinas. E as periféricas são as que não atravessam a bicamada de um lado até o outro. Agora vamos estudar como são selecionadas as substâncias que passam pela membrana plasmática e quais os tipos de transporte que existem. SOLUÇÃO: SOLUTO E SOLVENTE Para estudar os tipos de transporte que acontecem através da membrana plasmática precisamos entender alguns conceitos: solução, soluto, solvente, hipotônico, isotônico e hipertônico. 17 P ro fe ss or S am ue l C un ha A solução é uma mistura homogênea composta por soluto (exemplo o açúcar) e solvente (exemplo a água). Em outras palavras, o soluto é o que é dissolvido, e o solvente o que dissolve. Na imagem a seguir observa-se o soluto em amarelo e o solvente em azul. As soluções podem ser comparadas com relação a sua concentração, ou seja: a quantidade de soluto em relação ao solvente. Observe: As duas primeiras soluções da imagem são isotônicas, observe que ambas apresentam a mesma quantidade de soluto. A terceira solução, se comparada às duas primeiras, têm uma quantidade menor de soluto, por isso dizemos que é hipotônica. A quarta solução apresenta uma maior quantidade de soluto e, portanto, identificamos como hipertônica. Existem três tipos principais de transportes através da membrana: transporte passivo, transporte ativo e transporte por vesículas, vamos estudar detalhadamente cada um deles. TRANSPORTE ATRAVÉS DA MEMBRANA: TRANSPORTE PASSIVO Os transportes do tipo passivo recebem esse nome por não gastarem energia (moléculas de ATP) para queas substâncias transitem pela membrana plasmática. São três os tipos de transportes passivos que iremos estudar: difusão simples, difusão facilitada e osmose. Difusão Simples A difusão é o processo de passagem de uma substância do ambiente hipertônico (maior concentração) para o meio hipotônico (menor concentração) 18 P ro fe ss or S am ue l C un ha até que as concentrações entre os dois meios atinjam um equilíbrio. Quando os dois meios atingem a mesma concentração o trânsito de substâncias continua acontecendo, conforme partículas saem da célula, novas irão entrar. O processo de difusão acontece do meio hipertônico para o hipotônico, e por isso podemos dizer que é a favor do gradiente de concentração. Portanto não demanda energia, já que a passagem da substância acontece espontaneamente e não precisa "ser forçada" com a participação de moléculas de energia. A difusão simples envolve a passagem de soluto através da bicamada lipídica da membrana plasmática. É dessa maneira que moléculas como o gás oxigênio (O2) e o gás carbônico (CO2) circulam entre o meio intracelular e extracelular. É por meio da difusão simples que as trocas gasosas são realizadas nos nossos pulmões. Nos alvéolos pulmonares há passagem de gás oxigênio para os vasos sanguíneos. E a passagem de gás carbônico para o interior dos alvéolos pulmonares para eliminação na expiração. 19 P ro fe ss or S am ue l C un ha Difusão facilitada A difusão facilitada também envolve a passagem de soluto pela membrana plasmática. Neste caso há participação de uma proteína canal que permitirá o trânsito de solutos como a glicose e aminoácidos. Observe a imagem a seguir. A insulina se liga ao receptor e assim a proteína transportadora de glicose se abre. A glicose entra na célula e assim poderá ser utilizada para a produção de ATP. A difusão foi tema de uma questão do ENEM em 2019, veja: (ENEM 2019) Uma cozinheira colocou sal a mais no feijão que estava cozinhando. Para solucionar o problema, ela acrescentou batatas cruas e sem tempero dentro da panela. Quando terminou de cozinhá-lo, as batatas estavam salgadas, porque absorveram parte do caldo com excesso de sal. Finalmente, ela adicionou água para completar o caldo do feijão. O sal foi absorvido pelas batatas por: a) osmose, por envolver apenas o transporte do solvente. b) fagocitose, porque o sal transportado é uma substância sólida. c) exocitose, uma vez que o sal foi transportado da água para a batata. d) pinocitose, porque o sal estava diluído na água quando foi transportado. e) difusão, porque o transporte ocorreu a favor do gradiente de concentração. As batatas absorvem de forma passiva o sal em excesso do feijão, à favor do gradiente de concentração. O transporte passivo de soluto acontece por difusão. As aquaporinas são proteínas do tipo canal que permitem a passagem de água pela membrana plasmática. O trânsito de moléculas de água com auxílio dessas proteínas é uma difusão facilitada. 20 P ro fe ss or S am ue l C un ha Osmose A osmose, ao contrário da difusão, é a passagem de solvente. Ou seja, a passagem de moléculas de água se dá por esse processo. Não envolve gasto de energia e acontece do meio hipotônico para o meio hipertônico. A água passa do meio com grande quantidade de solvente, para o meio com pequena quantidade de solvente. Veja a imagem a seguir: Agora, além de você estar por dentro do conceito de osmose, é essencial saber como isso funciona nas células. Se mergulhamos uma célula vegetal e animal em soluções hipertônicas e hipotônicas elas irão se comportar de maneiras diferentes. Se colocarmos células vegetais ou animais em contato com soluções isotônicas o volume das células não irá mudar. A mesma quantidade de água que entra é a que sai. Ao mergulhar uma hemácia em uma solução hipotônica veremos a entrada de água até o momento em que a membrana plasmática não irá aguentar a pressão exercida pelo líquido no interior e a célula estoura. A célula animal não apresenta mecanismos que a protegem da lise celular. Quando uma célula vegetal é mergulhada em uma solução hipotônica ele se enche de água, que se acumula no interior de um vacúolo. A lise celular não acontece, quando a membrana plasmática chega ao limite da parede celular a entrada de água é interrompida. 21 P ro fe ss or S am ue l C un ha As hemácias quando mergulhadas em uma solução hipertônica perderão água, assim como as células vegetais. As células ficarão murchas ou crenadas. Isso é o que acontece quando as folhas de uma planta estão murchas, ao fornecer água as células voltam ao seu estágio de turgidez normal. Quando temperamos a salada com sal, criamos um ambiente externo hipertônico. As folhas de alface por exemplo, perdem água para o meio externo e ficam murchas. Se colocarmos células vegetais ou animais em contato com soluções isotônicas o volume das células não irá mudar. A mesma quantidade de água que entra é a que sai. Ao mergulhar uma hemácia em uma solução hipotônica veremos a entrada de água até o momento em que a membrana plasmática não irá aguentar a pressão exercida pelo líquido no interior e a célula estoura. A célula animal não apresenta mecanismos que a protegem da lise celular. Quando uma célula vegetal é mergulhada em uma solução hipotônica ele se enche de água, que se acumula no interior de um vacúolo. A lise celular não acontece, quando a membrana plasmática chega ao limite da parede celular a entrada de água é interrompida. As hemácias quando mergulhadas em uma solução hipertônica perderão água, assim como as células vegetais. As células ficarão murchas ou crenadas. Isso é o que acontece quando as folhas de uma planta estão murchas, ao fornecer água as células voltam ao seu estágio de turgidez normal. Quando temperamos a salada com sal, criamos um ambiente externo hipertônico. As folhas de alface por exemplo, perdem água para o meio externo e ficam murchas. 22 P ro fe ss or S am ue l C un ha TRANSPORTE ATIVO: A BOMBA DE SÓDIO E POTÁSSIO O transporte ativo mais cobrado no ENEM e vestibulares é a Bomba de Sódio e Potássio e é neste que vamos nos concentrar nos próximos parágrafos. Além desta bomba, existem também a de iodo e cálcio, mas não costumam ser temas das questões das provas que são o nosso objetivo. Esta bomba envolve gasto de energia (ATP) por ocorrer contra um gradiente de concentração. O seu objetivo é fazer com que íons de potássio (K+) entrem na célula e íons de sódio (Na+) saiam. Só que a concentração de potássio é maior no meio intracelular, enquanto que a do sódio é maior no meio extracelular, portanto o ATP se faz necessário. A bomba que permite o trânsito dos íons é uma proteína integral, ou seja, que atravessa a membrana plasmática de um lado ao outro. O processo ocorre em 3 etapas: 1. Três Na+ se ligam em sítios específicos da proteína transportadora; 2. Uma molécula de ATP é convertida em ADP e um fosfato. O fosfato se liga à bomba e esta se abre para o meio externo. Os íons de sódio são liberados. 3. Dois K+ se ligam à bomba. O fosfato se desliga da proteína transportadora e os íons são liberados para o interior da célula. 23 P ro fe ss or S am ue l C un ha A concentração de potássio será maior no interior da célula. E isso é essencial para que a célula se mantenha viva e funcionando corretamente. O potássio contribuiu para a síntese de proteínas e respiração celular (quebra da glicose para produção de ATP). A eliminação de íons de sódio contribuiu para a manutenção do equilíbrio osmótico. Caso os dois íons permanecessemno interior da célula haveria a entrada de água em excesso (por osmose) e a célula poderia estourar. A bomba de sódio e potássio também é indispensável aos neurônios. Ela garante que estas estruturas continuem funcionando corretamente e conduzindo mensagens nervosas pelo nosso corpo. A bomba mantém a carga positiva na parte externa do neurônio e negativa no seu meio intracelular. Quando a célula nervosa recebe um impulso nervoso a carga é temporariamente invertida, e a bomba de Na+ e K+ restabelece a carga padrão após a passagem do estímulo. A bomba de sódio e potássio mantém a carga positiva fora e negativa dentro (polarizada), em uma célula excitável, isso permite o impulso nervoso. TRANSPORTE POR VESÍCULAS Até o momento estudamos o movimento de pequenas moléculas pela membrana plasmática. Porém moléculas ou partículas grandes também precisam transitar entre o interior e exterior das células, mas elas não passam pelas proteínas ou pela bicamada de fosfolipídios. O trânsito dessas substâncias envolve a formação de vesículas e a deformação da membrana plasmática. O transporte por vesículas pode ser classificado em endocitose (entrada de substâncias na célula) e exocitose (saída de substâncias na célula). A endocitose pode ser de dois tipos: fagocitose ou pinocitose. A FAGOCITOSE é o processo de 24 P ro fe ss or S am ue l C un ha entrada de partículas sólidas com a emissão de pseudópodes. Estes "falsos pés"são projeções do citoplasma que empurram a membrana plasmática e envolve a partícula sólida. Este processo é comum nas células do sistema imunológico, para eliminação de organismos patogênicos. Também é realizado por organismos unicelulares na obtenção de alimentos, como por exemplo as amebas. A PINOCITOSE é o processo de entrada de partículas dissolvidas sem a emissão de pseudópodes. Este processo acontece na maioria das células eucarióticas. A EXOCITOSE é o processo que envolve a saída de substâncias produzidas pela célula a partir de suas reações metabólicas. A eliminação de substâncias pode ser um processo de excreção ou secreção. A excreção, ou defecação celular ou clasmocitose, é importante para eliminação dos resíduos celulares. Já a secreção envolve a 25 eliminação de produtos glandulares, como leite ou suor. Veja na imagem a seguir como o processo de fagocitose e exocitose acontecem em uma célula fagocitária: P ro fe ss or S am ue l C un ha Com o transporte por vesículas concluímos nossos estudos sobre a passagem de substâncias para o interior e exterior da célula. Agora prepare-se que vamos estudar os envoltórios celulares externos à membrana plasmática. ENVOLTÓRIOS EXTERNOS À MEMBRANA PLASMÁTICA: GLICOCÁLICE E PAREDE CELULAR Os revestimentos celulares externos à membrana plasmática podem contribuir ajudando a manter a célula protegida ou permitindo a identificação de células vizinhas. Vamos estudar o glicocálice e a parede celular, compreender a estrutura e importância de cada um deles. O GLICOCÁLICE ou GLICOCÁLIX está presente nas células animais. Externo à membrana plasmática forma uma malha protetora. Quimicamente é composto por carboidratos que podem estar associados aos 26 fosfolipídios ou proteínas que recebem o nome de glicolipídios ou glicoproteínas. Suas funções principais são reconhecimento celular, adesão entre as células e a troca de informações. O reconhecimento celular permite às células vizinhas reconheçam se fazem parte do mesmo tecido e espécie. No caso de serem detectadas células estranhas elas serão eliminadas com ação do sistema imunológico. Os diferentes tipos sanguíneos estão associados ao glicocálice. Indivíduos do tipo A e do tipo B apresentam glicoproteínas diferentes, enquanto que indivíduos do tipo O não apresentam glicoproteínas ( vamos aprofundar esse assunto na genética). P ro fe ss or S am ue l C un ha A adesão entre as células se dá pela malha que se forma pelos carboidratos do glicocálice. Forma-se um emaranhado que mantém as células próximas umas das outras. A troca de informações contribui para que a produção de substâncias seja regulada e também o processo de divisão celular. Por exemplo, pelo glicocálice uma célula pode comunicar a outra que a produção de uma determinada proteína precisa ser intensificada. No caso da divisão celular, o glicocálice permite uma célula compreender que já está encostando em outra e portanto não há mais espaço para se multiplicar de forma organizada (esse controle é perdido no caso dos tumores). A PAREDE CELULAR é um revestimento que está ausente na célula animal, mas pode ser encontrada em diferentes organismos com composição diferente: − Plantas: celulose (carboidrato) − Bactérias: peptidoglicano (carboidrato) − Fungos: quitina (carboidrato) − Protistas (algas): sílica A função desta estrutura é dar rigidez para as células. A parede celular, ao contrário da membrana plasmática, não seleciona que substâncias podem entrar ou sair das células. Por isso dizemos que esta estrutura é permeável. Analise com atenção a imagem a seguir, que detalha a estrutura de uma parede celular vegetal: 27 P ro fe ss or S am ue l C un ha Observamos que a parede celular vegetal é formada por duas camadas de celulose (cadeia de carboidratos) e entre elas está a lamela média. Esta camada intermediária é adesiva e elástica, contribui para que as células vegetais permaneçam unidas. A comunicação entre as células não é interrompida pela presença da parede, já que esta apresenta plasmodesmos formados durante a mitose. São canais de comunicação citoplasmática que permitem o trânsito de substâncias. Nas células vegetais jovens, há apenas uma parede celular fina e flexível, a PAREDE CELULAR PRIMÁRIA. Ela é elástica o suficiente (composta apenas por celulose) para permitir o crescimento celular. Após o crescimento forma-se a PAREDE CELULAR SECUNDÁRIA, que pode conter outros componentes além da celulose, como a lignina e a suberina. As outras paredes celulares iremos estudar quando aprofundarmos nossos conhecimentos sobre os seres vivos nos próximos módulos. ORGANELAS E ESTRUTURAS CITOPLASMÁTICAS Reveja a imagem de uma célula eucariótica e suas principais estruturas citoplasmáticas. 28 P ro fe ss or S am ue l C un ha As células eucarióticas são mais complexas que as procarióticas. Isso se deve ao fato de possuírem diversas organelas. Cada uma apresenta uma ou mais funções específicas. A sua complexidade permite que estas células se organizem em tecidos, órgãos, sistemas e organismos multicelulares. Lembre-se que não existem organismos procariontes multicelulares, eles são apenas unicelulares. Nas próximas páginas vamos estudar as principais estruturas e organelas das células eucarióticas e as funções que desempenham. Vamos começar pelo citoplasma. CITOPLASMA Esta parte da célula fica localizada no espaço entre a membrana plasmática e o núcleo celular. Sua composição consiste de citosol, organelas e estruturas. O citosol é a parte líquida, composta por água, substâncias inorgânicas e orgânicas (macromoléculas como RNA, aminoácidos e proteínas). As organelas são os órgãos da célula, revestidas por membrana plasmática. As estruturas não apresentam o revestimento de membrana plasmática, são os ribossomos e citoesqueleto O CITOESQUELETO, como o nome dá a entender, é o esqueleto da célula (cito). Portanto, contribuiu para a sustentação das estruturas celulares e sua movimentação. São três os tipos: microtúbulos, microfilamentos e filamentos intermediários. Veja as características de cadaum deles: 1. Microtúbulos: formados pela proteína tubulina. Contribuem para a sustentação da célula e participam da formação dos centríolos. Estes são formados por 9 trios de microtúbulos e têm importante papel na formação dos fusos mitótico/meiótico e dos cílios e flagelos. 29 P ro fe ss or S am ue l C un ha Os cílios podem ser encontrados em protozoários ciliados como o Paramecium sp. E também em células do corpo humano, como por exemplo, as células epiteliais da traquéia. Nesse caso não contribuem para a movimentação das células e sim para a eliminação de impurezas. Os flagelos podem ser encontrados nos espermatozoides de várias espécies do reino animal ou então em protozoários como o causador da doença de Chagas. 2. Microfilamentos: formados pela actina, uma proteína intracelular abundante nos eucariotos. Contribuem para a movimentação celular e dão consistência à porção mais externa do citoplasma (ectoplasma). Participam da formação dos pseudópodes que permitam o processo de fagocitose: Nas células musculares podem se associar à miosina e contribuir para o processo de contração. Nas células do intestino delgado também exercem um papel essencial na formação das microvilosidades (especializações celulares que aumentam a absorção de nutrientes). 30 P ro fe ss or S am ue l C un ha E nas células vegetais atua na ciclose. A movimentação do citoplasma e das organelas acontece pela presença dos microfilamentos. Esse fenômeno pode ser observado ao microscópio óptico com células da planta aquática Elodea sp., que apresenta folhas extremamente finas. 3.Filamentos Intermediários: são formados por diversas proteínas, entre elas a queratina. Contribuem com a adesão entre as células e com proteção mecânica, podem estar presentes em diversos tipos de tecido, principalmente no tecido epitelial que forma a nossa pele e reveste outras estruturas do corpo humano. - Queratina: estrutura das unhas, cabelo e pele; - Colágeno: a mais abundante no corpo humano, responsável pela resistência da pele e formação das cartilagens. RIBOSSOMO Os ribossomos são estruturas encontradas nos seres procariontes e eucariontes. Não apresentam revestimento de membrana plasmática e são formados por proteínas e RNA ribossômico. São responsáveis pela produção de proteínas. No interior da célula eucarionte podem estar livres no citoplasma ou aderidos ao retículo endoplasmático rugoso. Nas células procariontes não ficam aderidos a nenhuma estrutura. 31 P ro fe ss or S am ue l C un ha Sua estrutura é formada por duas subunidades: uma maior e outra menor. O ribossomo só é uma estrutura funcional quando as duas subunidades estão unidas. Os ribossomos das células procarióticas são diferentes dos das células eucarióticas. As subunidades são classificadas com relação ao peso molecular. No caso dos procariontes as subunidades têm pesos diferentes (50S e 30S) do que as subunidades dos eucariontes (60S e 40S). Os antibióticos, medicamentos utilizados para combater infecções bacterianas, atuam nos ribossomos das bactérias. Por isso, podem apresentar efeitos colaterais que envolvam as mitocôndrias dos animais (incluindo os humanos). Lembre-se que nossas mitocôndrias surgiram a partir de organismos procariontes. A diferença entre as células foi tema de uma questão da Instituto Federal do Ceará em 2019, dá uma olhada: (IFCE 2019) A Biologia é a ciência responsável por estudar a vida. Nesse sentido, a constituição celular surge como característica básica dos seres vivos. Conhecer as células e diferenciar os tipos celulares é importante para entender a forma como os seres vivos se desenvolveram e evoluíram no planeta. As bactérias, por exemplo, são constituídas por células procarióticas, enquanto os fungos são formados por células eucarióticas. São elementos presentes em células procarióticas: a) citoesqueleto, DNA, RNA e carioteca. b) ribossomos, RNA, mitocôndria e núcleo. c) membrana plasmática, citoplasma, DNA e ribossomos. d) membrana plasmática, membrana nuclear, DNA e citoplasma. 32 P ro fe ss or S am ue l C un ha a) membrana plasmática, citoesqueleto, retículo endoplasmático e cloroplastos. A resposta correta é a letra C. As células procarióticas apresentam membrana plasmática, citoplasma, DNA e ribossomos. Agora vamos estudar cada uma das organelas: RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO (RER) OU ERGASTOPLASMA Esta organela é formada por sacos achatados de membrana plasmática com ribossomos aderidos em sua superfície. É responsável por produzir proteínas que serão exportadas da célula para outros locais do corpo ou que irão compor a membrana plasmática. Encontra-se perto do núcleo da célula, desta forma o RNA mensageiro, que será utilizado para a produção de proteínas não precisa percorrer grandes distâncias até chegar aos seus ribossomos. Células secretoras, ou seja, que produzem proteínas que serão exportadas, apresentam grandes quantidades de RER. Como exemplo podemos citar as células pancreáticas, que produzem insulina e glucagon (contribuem para controlar a glicemia). Ou então as células produtoras (caliciformes) de muco das nossas vias respiratórias, que produzem em grande quantidade glicoproteínas. RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO LISO (REL) OU NÃO GRANULOSO O REL é uma organela formada por tubos de membrana plasmática. Ao contrário do RER não apresenta ribossomos aderidos na sua superfície. Nas células encontra-se perto do RER. Apresenta duas funções: síntese de lipídios e desintoxicação. Os lipídios produzidos podem ser do tipo fosfolipídeos e formar a membrana plasmática, ou podem ser esteroides. Os esteroides são os 33 P ro fe ss or S am ue l C un ha lipídios que formam os hormônios sexuais, como por exemplo, a testosterona, o estrogênio e a progesterona. Células das gônadas masculinas e femininas apresentam grandes quantidades de REL. A função de desintoxicação no nosso corpo é realizada pelo fígado. Por isso os hepatócitos (células do fígado) apresentam grandes quantidades de REL. Estas organelas são as responsáveis, por exemplo, por metabolizar o álcool das bebidas alcoólicas, medicamentos e outras toxinas. Pessoas que ingerem bebidas alcoólicas em excesso apresentam grandes quantidades de REL neste órgão para metabolizar tudo que é ingerido. A quantidade de REL é que faz com que algumas pessoas sejam mais resistentes ao álcool do que outras. O consumo excessivo pode forçar demais o fígado e resultar em cirrose. COMPLEXO DE GOLGI (OU APARELHO DE GOLGI) O Complexo de Golgi ou Golgiense é formado por vesículas de membrana plasmática. Podemos dizer que atua como o correio da célula. Sua função é receber as proteínas produzidas pelo RER, modificá-las, endereçá-las e enviá-las para seus locais de ação ou armazená-las temporariamente. Esta organela apresenta duas faces: a cis e a trans. A face 34 P ro fe ss or S am ue l C un ha cis é a que recebe as vesículas que chegam do RER, enquanto que a face trans é a que elimina as vesículas secretoras com as proteínas já processadas. Os lisossomos são organelas com função digestiva e que são formadas pelo complexo de Golgi. Os acromossomas também são produzidos por esta organela. São estruturas presentes nos espermatozoides e que em seu interior apresentam hialuronidase. Esta é uma enzima essencial para o processo de fecundação, ajuda a romper as barreiras que protegem o gameta feminino. LISOSSOMO Os lisossomos são organelas arredondadas que têm origem no Complexo Golgiense. No seu interior encontram-se proteínas com funçãoenzimática, produzidas no RER. Atuam no processo de digestão celular que pode ser de dois tipos: 1.Heterofagia: digestão de uma substância ou estrutura externa à célula, como por exemplo uma bactéria. Os lisossomos se unem à vesícula fagocitária ou fagossomo e assim o vacúolo digestivo se forma. 2.Autofagia: digestão de uma substância ou estrutura da própria célula, como por exemplo uma organela que envelheceu e não será mais utilizada. 35 P ro fe ss or S am ue l C un ha PEROXISSOMO Os peroxissomos são organelas que em seu interior apresentam a enzima catalase. Esta proteína enzimática faz a digestão da água oxigenada (H2O2) em hidrogênio e água. A água oxigenada, ou peróxido de hidrogênio é muito tóxica para a célula, por isso deve ser quebrada. Estas organelas também são responsáveis pela produção dos ácidos biliares no fígado e por metabolizar cerca de 25% do álcool das bebidas alcoólicas ingeridas. Além disso, contribuem para a produção de bainha de mielina que reveste os axônios dos neurônios e facilita a transmissão dos impulsos nervosos. Bizu: assistam ao filme O Óleo de Lorenzo! Nele você verá a luta de um pai e uma mãe para ajudar seu filho a superar uma doença associada aos peroxissomos. MITOCÔNDRIA As mitocôndrias são as organelas responsáveis pela respiração celular. Ou seja, realizam uma série de reações químicas que quebram a molécula de glicose para liberação de energia e formação de moléculas de ATP. A respiração celular é um processo metabólico aeróbio, ou seja, acontece na presença do gás oxigênio. Suas etapas são: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória. Ao passar por esse processo cada molécula de glicose produzem de 36 - 37 ATPs. Vamos aprofundar nossos conhecimentos sobre esse processo quando estudarmos o metabolismo celular. 36 P ro fe ss or S am ue l C un ha Lembre-se que as mitocôndrias têm sua origem explicada pela hipótese da endossimbiose. Para relembrar como esse processo se deu e as evidências que permitem afirmar que ele aconteceu releia o tópico "Células Procarióticas e Eucarióticas" deste material. NÚCLEO O núcleo é a maior organela das células eucarióticas. É formada pela carioteca ou envelope nuclear e pela cariolinfa, onde estão mergulhadas moléculas de material genético e proteínas. O material genético encontrado no núcleo, que é responsável pela hereditariedade e controle da atividade celular, é o DNA. Muitas reações químicas acontecem no citoplasma celular, e muitas substâncias que ali estão presentes poderiam prejudicar o DNA, gerando mutações que poderiam prejudicar as células e seres vivos. Por isso é vantajoso ele estar restrito ao núcleo. No próximo módulo vamos aprofundar nossos estudos sobre essa organela. VACÚOLO Os vacúolos são encontrados principalmente nas células vegetais. São grandes e podem ocupar cerca de 80% do volume celular. Há células animais que podem ter vacúolos, mas são raros e de pequeno tamanho. A membrana plasmática que envolve os vacúolos nas células animais recebe o nome de tonoplasto. No seu interior 37 P ro fe ss or S am ue l C un ha encontra-se uma solução ácida com íons inorgânicos, açúcares, aminoácidos e em alguns casos proteínas e enzimas digestivas. Estas organelas contribuem para a regulação osmótica, apresentam água no seu interior (reveja a parte sobre Osmose neste material). PLASTO Estas organelas membranosas são encontradas em células de plantas e algas. Assim como as mitocôndrias têm a sua origem explicada pela endossimbiose. Podem ser de dois tipos: 1. Cromoplastos: apresentam pigmentos no seu interior. Os cloroplastos apresentam clorofila e são responsáveis pela fotossíntese. 2. Leucoplastos: pigmentos ausentes, armazenam substâncias de reserva, como por exemplo o amido. DIGESTÃO CELULAR E APOPTOSE Os processos de digestão celular e apoptose acontecem pela ação dos lisossomos. Estas organelas, conforme já vimos nas páginas anteriores, apresentam proteínas produzidas pelo RER e são montadas pelo Complexo de Golgi. As proteínas lisossomais tem função enzimática e podem ser classificadas como hidrolases ácidas. Para que assuma a sua forma ativa e possam realizar os processos digestórios o pH no interior das organelas deve ser de aproximadamente 5,0. Vamos analisar a imagem abaixo e compreender como o processo de digestão celular acontece. O processo pode ser autofágico (quando uma estrutura da própria célula está sendo digerida. Ou pode ser heterofágico 38 P ro fe ss or S am ue l C un ha (quando uma estrutura de origem externa está sendo digerida). O lisossomo primário (que ainda não participou de processos digestivos) é liberado pelo complexo de Golgi. Ao se unir a um fagossomo ou pinossomo forma-se o lisossomo secundário ou vacúolo digestivo. As enzimas agem sobre a estrutura de origem extracelular e esta é digerida. Ao final do processo o vacúolo residual se funde à membrana plasmática e os resíduos são eliminados por exocitose (clasmocitose). Quando o processo é autofágico o lisossomo secundário recebe o nome de vacúolo autofágico. A autofagia pode acontecer quando há necessidade de eliminar organelas presentes em excesso ou envelhecidas. A heterofagia acontece quando algum organismo ou estrutura externa à célula precisa ser digerida, é o que acontece nas células do sistema imunológico ao fagocitarem antígenos como bactérias, por exemplo. A apoptose, ou autólise positiva, é a morte celular programada. Este processo é diferente da necrose, que envolve a morte de células e tecidos na presença de alguma toxina ou ausência de suprimento sanguíneo. Este processo envolve o gasto de moléculas de energia (ATP) e é controlado pelos genes presentes na célula. Este processo biológico permite, por exemplo, o desaparecimento da cauda dos girinos e também das membranas interdigitais nos humanos e em 39 P ro fe ss or S am ue l C un ha outras espécies do Reino Animal. A apoptose é um processo biológico que contribuiu para a homeostase dos tecidos. Ela é responsável por controlar a quantidade de células que formam um tecido, se há excesso de células elas serão eliminadas. O mesmo acontece com as células que envelheceram ou então com células que apresentam erros no seu material genético. Quando estas células, com mutações prejudiciais, não são eliminadas pelo processo de apoptose, dizemos que um processo cancerígeno está acontecendo no organismo. A autólise negativa é uma morte celular não programada. É o que acontece, por exemplo, na silicose. Esta condição afeta principalmente mineiros, que nos túneis e galerias das minas podem inalar sílica. Esta substância se acumula nos pulmões, especificamente nos alvéolos pulmonares. A sua presença faz com que as células sejam rompidas, assim como os lisossomos. As enzimas lisossomais passam a destruir todo o tecido pulmonar, causando insuficiência respiratória e baixa oxigenação do sangue. Esta condição não tem cura, o recomendado é tratar o paciente para diminuir os sintomas e prevenir infecções respiratórias. 40 "Quer se sair bem na escola ou vai prestar vestibular e ENEM? Vem tomar um amargo, que eu te ajudo a conquistar esse sonho! Aqui você aprende desde o início da vida até o equilíbrio de todas, através de aulas aprofundadas, dinâmicas e muito divertidas!” Prof. Samuel Cunha Samuel é Biólogo formado em Ciências Biológicas - Licenciatura pela Universidade Federal de Pelotas, com menção honrosa em 2012. Mestre em Parasitologia pela mesma instituição em 2015. Começou a lecionar ainda nosegundo ano de faculdade e atualmente é responsável pelo canal Biologia com Samuel Cunha, que já possui mais de 1 milhão de inscritos, onde ele contribui para a formação de estudantes em todo o país.