Unidade 2

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AULA 1 - SISTEMA DE ENDOMEMBRANAS
Ponto de Partida
As organelas são as menores estruturas presentes dentro das células. Cada uma delas desempenha uma função diferente, mas todas trabalham em conjunto para que o nosso organismo funcione.
Pense no corpo humano como uma máquina com vários órgãos que operam para mantê-la funcionando. As organelas agem como se fossem órgãos das células, sendo responsáveis pela digestão, respiração, circulação de substâncias, entre outras funções. Vale lembrar que os organismos vivos são compostos por milhares de células, incluindo nossos órgãos. Algumas organelas não integram o sistema de endomembranas, como: as mitocôndrias, que são muito importantes para a manutenção da vida por serem responsáveis pela produção de energia necessária à realização das atividades celulares; os cloroplastos, que têm função de fotossíntese e são essenciais na síntese de aminoácidos e ácidos graxos, presentes exclusivamente nas células vegetais; e os peroxissomos, que degradam gordura e outras substâncias no interior das células.
Vamos Começar!
Dentre os componentes do citoplasma, além dos já estudados (citosol e citoesqueleto), há também as organelas citoplasmáticas, as quais desempenham diversas funções específicas. As organelas são estruturas envolvidas ou não por membranas. As organelas não membranosas, ou seja, que não têm membranas, são encontradas no citosol e não dependem de transportes para executar sua função, o que facilita seu trabalho. São exemplos os ribossomos, estruturas do citoesqueleto (filamentos, microtúbulos e centríolo) e o centrossomo. Já as organelas membranosas são compartimentos envolvidos por membranas biológicas originadas da invaginação da membrana celular. São compostas por lipídios, proteínas e hidratos de carbono, mostrando-se muito semelhantes à membrana plasmática.
As organelas, exclusivas às células eucariontes, são capazes de realizar funções como captura de alimentos, produção de energia, síntese de moléculas, entre outras atividades. Algumas organelas se unem e formam um sistema de endomembranas, o qual é distribuído por todo o citoplasma. Elas trabalham em conjunto com o intuito de modificar, empacotar e transportar as proteínas e os lipídios que serão utilizados nos processos metabólicos das células. Esse sistema apresenta vários subcompartimentos que se intercomunicam, enviando e recebendo informações a partir de moléculas (sinalização celular), os quais são constituídos pelas organelas, como: retículo endoplasmático, complexo de Golgi, endossomos e lisossomos. Vale lembrar que as mitocôndrias e os cloroplastos, ou peroxissomos, não fazem parte do sistema de endomembranas. Conheceremos, a seguir, as características e funções de cada uma dessas organelas.
Figura 1 | Anatomia da célula animal. Fonte: adaptada de Sutterstock/VectorMine.
Retículo endoplasmático: liso e rugoso
O retículo endoplasmático (RE) é uma rede contínua de membranas distribuídas por todo o citoplasma (ocupando quase a metade desse espaço) que formam uma espécie de labirinto. É uma organela encontrada em todas as células eucariontes, composta por túbulos e vesículas achatadas, todos interligados, que se comunicam com a carioteca. Possui espaços “vazios” em seu interior, chamados de cisternas ou lúmen (luz). Essa estrutura é visível apenas no microscópio eletrônico, mas sua presença pode ser observada sem detalhes no microscópio óptico quando corada. Na superfície externa (face citosólica) da membrana do RE, em alguns locais, encontram-se poliribossomos aderidos à membrana, sintetizando proteínas que são inseridas nas cisternas. Dessa forma, o retículo endoplasmático pode ser dividido em duas regiões: rugosa e lisa.
O retículo endoplasmático rugoso (RER) é a região que apresenta uma grande quantidade de ribossomos. Ou seja, está presente em maior quantidade nas células especializadas em sintetizar proteínas, como as células do pâncreas, que sintetizam enzimas digestivas, ou os fibroblastos, os quais sintetizam o colágeno. Dentre as principais funções do RER está a síntese de proteínas de membrana e proteínas para secreção, mas há outras atividades executadas por essa estrutura, como degradação de glicogênio, síntese de fosfolipídios e montagem de proteínas com longas cadeias polipeptídicas. A formação de todas as proteínas é iniciada no citosol pelos ribossomos livres. Grande parte dessas proteínas sintetizadas permanecem no citosol, e algumas são destinadas ao núcleo, às mitocôndrias ou aos cloroplastos, também sendo sintetizadas pelos ribossomos livres. No entanto, as proteínas que serão utilizadas na membrana plasmática, no próprio retículo endoplasmático ou no complexo de Golgi, bem como as proteínas que serão armazenadas no interior das células (como no caso dos lisossomos) ou as proteínas armazenadas no interior das células para posterior exportação (no caso do pâncreas e de algumas glândulas endócrinas), são sintetizadas por ribossomos ligados ao RER. Mas a estrutura desses ribossomos é diferente? Não. Todos os ribossomos são formados por duas subunidades, uma maior e outra menor. A subunidade menor, ao se ligar a um mRNA (RNA mensageiro), se torna funcional e pode sintetizar proteínas.
Conforme os aminoácidos são expostos no ribossomo, chamados de sequência sinal, as proteínas que são sintetizadas com destino ao retículo endoplasmático se ligam a uma partícula reconhecedora do sinal (SRP – signal recognition particle). A SRP inibe a síntese de proteínas destinadas ao retículo até o momento em que os ribossomos se ligarem a um receptor da membrana do RER. Quando ocorre a ligação, o SRP do polirribossomo é liberado, e a síntese proteica continua. Com isso, o que definirá se um ribossomo ficará solto no citosol ou aderido à membrana do retículo será o tipo de proteína que ele estiver sintetizando e o fato de ela possuir ou não uma sequência sinal. As proteínas que não permanecerão no retículo endoplasmático rugoso são enviadas até o complexo de Golgi pelas vesículas de transporte e túbulos, assim como os fosfolipídios produzidos para outras membranas, também transportados em vesículas.
A outra região do retículo endoplasmático desprovida de ribossomos é conhecida como retículo endoplasmático liso (REL). A membrana do REL é contínua à membrana do RER, mas as moléculas que a constituem são diferentes. O retículo endoplasmático liso, na maioria das células, encontra-se próximo à membrana nuclear. Ele participa da síntese de lipídios, presente em maior quantidade em células envolvidas no metabolismo de lipídios, como as células intersticiais do testículo, tecido muscular, fígado e das glândulas adrenais. Além disso, participa da síntese de carboidratos e de hormônios esteroides, do processo de desintoxicação (no caso de medicamentos, venenos, substâncias químicas e etanol), reciclagem de organelas envelhecidas pelo processo de autofagia, da degradação de glicogênio (produzindo glicose para o metabolismo energético – função em comum com o RER) e armazenamento e controle intracelular de íons de cálcio (Ca2+). O REL é responsável por controlar a concentração de Ca2+ necessário ao processo de ativação da contração muscular nas células musculares, recebendo, nesse caso, o nome de retículo sarcoplasmático.
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Complexo de Golgi
Entendemos que o material que sai do retículo endoplasmático é transportado em vesículas até o complexo de Golgi, uma vez que essas duas organelas têm conexão entre si. Sendo assim, existe um complexo de Golgi (ou aparelho de Golgi), por célula eucariótica, que é ausente em hemácias e espermatozoides. Contudo, nos espermatozoides o complexo de Golgi participa da formação do acrossomo. O acrossomo é a estrutura que compõe a cabeça do espermatozoide, constituída de várias vesículas que contêm enzimas digestivas (lisossomos), cuja função é perfurar a membrana do óvulo no processo de fecundação.
Essa organela é composta por vesículas achatadas e empilhadas, como uma espécie de pilha de pratos/sacos conhecidos como cisternas do complexo de Golgi. Cadapilha de cisternas recebe o nome de dictiossomo e geralmente é encontrada em uma determinada região do citoplasma, principalmente ao lado do núcleo e perto dos centríolos. Porém, em alguns tipos celulares, como no caso das células nervosas, essa organela forma pequenos grupamentos circundando o núcleo, ou, como nas células vegetais, é espalhada pelo citoplasma. O tamanho e a quantidade de cisternas de Golgi dependem do tipo celular. Por exemplo, glândulas salivares (que secretam enzimas digestivas) e células do sistema imunológico (que secretam anticorpos) são células que secretam uma grande quantidade de proteínas e, consequentemente, têm muitas cisternas do complexo de Golgi. Em células musculares, tais cisternas são encontradas em tamanho pequeno. Já em células que secretam glicoproteínas, podem ser identificadas em tamanhos maiores.
O complexo de Golgi está envolvido na separação, empacotamento e distribuição de proteínas e lipídios advindos do RE por meio das vesículas de transporte, que também podem ser denominadas vesículas transportadoras. Essas vesículas são constituídas por uma face cis (ou face de entrada), mais convexa, geralmente próxima ao núcleo e ao RE, considerada como a face receptora, que recebe as vesículas transportadoras do retículo endoplasmático. A face oposta é côncava, conhecida como face trans (ou face de saída), mais distante do núcleo, e está voltada para a membrana plasmática. Entre essas duas faces são encontradas as cisternas médias. As proteínas produzidas no RE e transferidas para o complexo de Golgi se fundem à membrana da face cis e, após serem modificadas, formadas e organizadas com o auxílio de enzimas específicas, são empacotadas e liberadas pela face trans por meio de vesículas de secreção, após a maturação. Os conteúdos despejados pelas vesículas podem se fundir à membrana plasmática, no caso de proteínas úteis para ela, ou serem secretados para o meio extracelular. Em outras situações, o conteúdo das vesículas pode ser liberado em outras partes da célula onde serão utilizados, como nos lisossomos (digestão intracelular) ou nos vacúolos (enzimas digestivas). Muitas células do nosso corpo secretam substâncias que, até que sejam de fato expelidas, passam por todo o processo descrito anteriormente, como a insulina (hormônio) secretada pelas células do pâncreas.
Conhecendo essa organela, podemos afirmar que sua principal função é a distribuição das macromoléculas (proteínas e lipídios) advindas do retículo endoplasmático para as vesículas.
Além de participar da modificação das proteínas e lipídios com a glicosilação (adição de açúcares) e da síntese de proteoglicanas (adição de grupamentos sulfato às proteínas), o complexo de Golgi forma os lisossomos.
As proteínas modificadas pelo complexo de Golgi, quando liberadas, podem ser incorporadas a um endossomo (pequenas vesículas), retornar para o retículo endoplasmático ou, ainda, ser encaminhadas para a membrana plasmática, onde serão secretadas.
Muitas doenças são causadas em decorrência de alterações nas organelas, seja por causa de modificações bioquímicas, como defeitos na síntese de proteínas ou degradação de moléculas, ou em virtude de alterações morfológicas, prejudicando a estrutura e, consequentemente, o funcionamento da célula. Com isso, podemos perceber que, independentemente do fato de uma organela ser membranosa ou não, todas elas têm funções bem específicas e são dependentes umas das outras. Assim, situações que causem danos a uma organela afetam a célula por completo.
AULA 2 - ORGANELAS
Ponto de Partida
Todas as células são compostas por membrana plasmática, citoplasma e material genético. Este último elemento pode estar disperso no citoplasma ou protegido dentro de um núcleo. Para compreender o funcionamento das células, precisamos conhecer sua composição, funcionalidades e cada uma de suas estruturas. A membrana plasmática confere principalmente proteção às estruturas presentes no interior da célula, permite o controle e a seleção de todas as substâncias que entram ou saem das células, além de participar da comunicação celular. A membrana precisa de ajuda para desempenhar todas essas tarefas. As proteínas são de extrema importância nesse sentido, pois auxiliam as células de todo o nosso organismo, cooperando em diversas funções. Você já se perguntou como elas são formadas? Dentro das células eucariontes, há um complexo sistema de endomembranas no citoplasma, o qual é composto por várias organelas citoplasmáticas, cada qual exercendo uma determinada função, seja respiração celular, armazenamento, digestão, quebra de moléculas, transporte ou até mesmo a síntese de proteínas.
Vamos Começar!
A riqueza da diversidade celular é uma maravilha que nos permite contemplar a complexidade e a versatilidade da vida. Dentro desse vasto cenário, as células podem ser agrupadas em duas categorias primárias: células procariontes e células eucariontes. As células eucariontes podem ser animais ou vegetais, apresentando certas características similares e outras distintas, que as distinguem em forma e função. Mas quais são as diferenças entre as células animais e vegetais? Vamos conferir algumas divergências entre elas:
· Parede celular: as células vegetais possuem uma parede celular rígida, composta principalmente por celulose, responsável pela sustentação e proteção da célula. Já nas células animais, a parede celular é ausente.
· Vacúolos: as células vegetais geralmente possuem um grande vacúolo central, que armazena água, nutrientes e resíduos, além de fornecer suporte estrutural. Por sua vez, as células animais podem conter vacúolos menores ou até mesmo não possuir esses componentes. Quando presentes, os vacúolos exercem funções mais específicas, como armazenamento de nutrientes ou excreção de resíduos.
· Cloroplastos: são organelas citoplasmáticas, do grupo plastídio, que estão presentes somente nas células vegetais. Contêm um pigmento conhecido como clorofila, responsável pela fotossíntese, processo pelo qual as plantas convertem a energia solar em energia química. Também são encarregados do armazenamento de amido e da síntese de metabólitos.
Confira na Figura 1, a seguir, a diferença entre as células animais e vegetais.
Figura 1 | Célula animal versus célula vegetal. Fonte: adaptada de Flickr.
Embora as células animais e vegetais compartilhem muitas características básicas, como o núcleo, as mitocôndrias e o retículo endoplasmático, as diferenças fundamentais retratadas na imagem anterior refletem suas adaptações únicas às exigências de seus respectivos ambientes e funções no organismo.
Agora que você já verificou as principais diferenças entre as células animais e vegetais, daremos seguimento ao estudo das organelas.
As organelas classificadas como membranosas que não fazem parte do sistema de endomembranas da célula são as mitocôndrias, os cloroplastos e os peroxissomos.
Mitocôndrias
As mitocôndrias são organelas presentes somente em células eucarióticas. Elas têm forma de bastonetes e a sua principal função está relacionada ao processo de produção de energia para a célula (respiração celular). Na presença de oxigênio, sintetizam ATP, além de serem importantes para o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória. Essas organelas estão presentes em maiores quantidades em células que requerem um maior gasto energético e, juntas ao REL, auxiliam na regulação da concentração de íons no citoplasma celular. As mitocôndrias possuem uma membrana externa lisa e uma membrana interna altamente pregueada, formando as cristas mitocondriais. A membrana interna contém proteínas especializadas envolvidas na produção de energia, como a ATP sintase. O espaço interno das mitocôndrias, chamado de matriz mitocondrial, possui uma variedade de enzimas e outras moléculas necessárias para a produção de energia e outros processos metabólicos. Também apresentam seu próprio DNA (DNA mitocondrial) e ribossomos, fato que permite que a própria mitocôndria tenha a capacidade de sintetizar algumas das proteínas requeridas para seu funcionamento.A principal função das mitocôndrias é a produção de energia na forma de trifosfato de adenosina (ATP), pelo do processo de respiração celular. Durante a respiração celular, os nutrientes, como glicose e ácidos graxos, são quebrados em moléculas menores na matriz mitocondrial e, em seguida, oxidados em uma série de reações químicas que liberam energia. Essa energia é utilizada para sintetizar ATP, que é a principal fonte de energia usada pelas células para que exerçam suas atividades metabólicas e físicas. As mitocôndrias também atuam no metabolismo de lipídios e carboidratos, na regulação da sinalização celular e na apoptose.
Figura 2 | Estrutura da mitocôndria. Fonte: Wikimedia Commons.
Peroxissomos
Os peroxissomos são organelas presentes em células eucariontes, tanto de animais quanto de plantas, que constituem bolsas membranosas e se assemelham aos lisossomos. No entanto, não fazem parte do sistema de endomembranas e são formados por apenas uma membrana, sem contar com material genético próprio. As suas enzimas oxidativas permitem aos peroxissomos fazer a degradação de substâncias, como as gorduras e os aminoácidos no interior das células, a partir de enzimas como a catalase, capaz de decompor o peróxido de oxigênio (água oxigenada), um elemento muito tóxico para as células. Os peroxissomos também colaboram na desintoxicação de moléculas (principalmente na corrente sanguínea). Nas plantas, desempenham um papel importante no processo de fotorrespiração e na conversão de açúcares nas sementes, viabilizando o desenvolvimento das plantas.
Lisossomos
Os lisossomos são vesículas, também delimitadas por membranas, que contêm enzimas hidrolíticas, ou seja, com função de digestão. Essas organelas estão presentes em quase todas as células animais, sendo mais abundantes nas fagocitárias (macrófagos e leucócitos) e ausentes nas hemácias. Os lisossomos têm uma variedade de enzimas com capacidade de digerir substâncias que variam de acordo com o tipo celular e a função de cada célula. Como exemplos, podemos citar a protease, lipase, fosfatase, desoxirribonuclease, entre outras, todas com atividade máxima em pH 5,0 (ácido). Mas essas enzimas não podem destruir a célula? As células já pensaram nessa possibilidade e, como mecanismo de defesa, a membrana dos lisossomos funciona como uma espécie de barreira, que impede as enzimas de alcançarem o citosol. Caso isso acidentalmente ocorra, o pH do citosol será relativamente neutro, impedindo a ação destrutiva das enzimas. Para que as enzimas digestivas não destruam a sua própria membrana, os lisossomos têm glicoproteínas na face interna, cujo revestimento de açúcares protege a membrana da ação enzimática.
As enzimas hidrolíticas são produzidas no retículo endoplasmático rugoso e transportadas para o complexo de Golgi, onde sofrem modificações e são empacotadas em vesículas, conhecidas como lisossomos primários. Esses lisossomos primários ainda não participam do processo de digestão intracelular. Como uma de suas funções é a digestão de substâncias extracelulares introduzidas na célula por meio da endocitose (fagocitose e pinocitose), quando a membrana dos lisossomos primários se funde aos fagossomos ou pinossomos, formando um vacúolo digestório, também chamado de lisossomo secundário, inicia-se a digestão intracelular com a ação das enzimas.
Quando a célula não absorve todo o material digerido, o que resta compõe um corpo residual, o qual será eliminado do citoplasma posteriormente. Outra função dessas organelas é realizar o processo de autofagia, ou seja, a digestão de estruturas da própria célula. Mas quando isso ocorre? Quando as células têm alguma organela ou estrutura danificada, com um componente envelhecido, o qual não consegue executar corretamente a sua função, os lisossomos fazem a digestão dessa parte da célula em um processo comum em células glandulares que acumulam secreções em excesso.
Podemos concluir que os lisossomos são organelas importantes para a manutenção da homeostase da célula, compondo o sistema de endomembranas junto ao retículo endoplasmático, ao complexo de Golgi, às vesículas e aos vacúolos, à membrana celular e à carioteca.
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Ribossomos
Os ribossomos são estruturas ribonucleoproteicas muito complexas encontradas em todos os tipos celulares – isto é, em células procariontes (bactérias) e em células eucariontes –, de forma semelhante, mas com diferenças em sua composição. Os ribossomos dos eucariontes são maiores do que os ribossomos dos procariontes. Além do tamanho dos ribossomos, outra diferença notável é a composição química dessas estruturas celulares, as quais são formadas por proteínas distintas. Essa última característica tem grande importância para a medicina, já que alguns medicamentos agem somente em ribossomos de células procariontes, não afetando os ribossomos de eucariontes, o que viabiliza seu uso em tratamentos de doenças bacterianas, por exemplo.
Os ribossomos são pequenas estruturas, que medem de 20 a 30 nm, compostas de RNA ribossômico (rRNA), um tipo de RNA estrutural, e proteínas, responsáveis pela síntese de proteínas. Na maior parte dos casos, situam-se no citosol, são ligados a membranas e também podem ser encontrados nas mitocôndrias e nos cloroplastos (estas duas últimas estruturas se assemelham aos ribossomos das células procariontes). Conforme sua localização, os ribossomos são classificados em livres ou ligados.
· Ribossomos livres: encontram-se dispersos no citosol da célula e produzem proteínas que, na maioria das vezes, ficarão no próprio citoplasma.
· Ribossomos ligados: estão associados às membranas do núcleo e do retículo endoplasmático, e produzem proteínas que atuam no interior de organelas citoplasmáticas ou que são excretadas da célula.
Os ribossomos são constituídos de duas subunidades de tamanhos diferentes, ou seja, uma subunidade maior e outra menor. Nas células eucariontes, o rRNA (ácido ribonucleico ribossômico) de ambas as subunidades é sintetizado no nucléolo, enquanto no citoplasma são sintetizadas as proteínas. As proteínas migram para o núcleo por meio de poros nucleares e se juntam aos rRNAs, dando origem às duas subunidades que formam o ribossomo. As duas subunidades têm características funcionais e estruturais diferentes, são encontradas separadas entre si, sendo deslocadas de volta ao citosol, onde exercerão sua função de síntese de proteínas. As subunidades se unem de maneira reversível no início da síntese de molécula proteica. Quando a subunidade menor se liga a uma molécula de RNA mensageiro (mRNA), forma no citosol um ribossomo funcional capaz de realizar a sua função. Após a proteína ser sintetizada, as subunidades voltam a se separar.
Quando os ribossomos não são formados corretamente, as proteínas consequentemente não são produzidas na célula, o que acaba acarretando problemas mais graves, como muitas doenças genéticas humanas desencadeadas pela falta de uma determinada proteína em uma célula que atuaria na formação do ribossomo, ou até mesmo pela má formação desse ribossomo, que deixa de sintetizar proteínas importantes para a vida.
Sendo assim, perceba que todas as organelas, tanto as membranosas como as soltas no citoplasma, possuem funções relacionadas. Portanto, situações que possam gerar lesões a uma organela afetarão a célula por completo.
AULA 3 - NÚCLEO CELULAR
Ponto de Partida
As células eucariontes são complexas, sendo formadas por um sistema de endomembranas, organelas organizadas e núcleo celular. O núcleo geralmente acompanha o formato da célula e, na maioria das vezes, ocupa a região central. Por exemplo, em células esféricas, o núcleo tende a ser esférico, enquanto em células alongadas, como nas células musculares, o núcleo assume o formato alongado.
O núcleo é a central de informações celulares. Essa estrutura foi exemplificada inicialmente por Franz Bauer no ano de 1802. Depois, em 1831, foi descrita com mais detalhes pelo botânico Robert Brown. O núcleo possui o material genético do organismo e conta com proteínas cuja função é regular aexpressão gênica por meio dos processos de transcrição e processamento de RNA mensageiro. Outro ponto a ser destacado referente ao núcleo são os nucléolos envolvidos na produção de ribossomos. Nesta etapa de aprendizagem, estudaremos as particularidades do núcleo celular, como sua estrutura, função e composição.
Vamos Começar!
O que define uma célula como eucarionte é a presença de uma membrana nuclear envolvendo o material genético das células, conhecida como núcleo. O núcleo é uma estrutura fundamental que possui uma variedade de funções vitais para garantir a sobrevivência e o funcionamento eficiente da célula. Dentre as funções exercidas pelo núcleo, podemos citar: armazenamento e proteção do material genético contra danos químicos e físicos; regulação da expressão gênica na replicação e transmissão do material genético, controlando quais genes estão ativos ou inativos em uma célula em um determinado momento, a fim de regular a síntese de proteínas; coordenação dos processos celulares indispensáveis, como síntese e montagem de ribossomos, e o ciclo celular. Todas essas funções contribuem para a sobrevivência e adaptação das células a diversos ambientes.
O núcleo é cercado pelo envelope nuclear, também chamado de carioteca. Esse envelope consiste em duas membranas nucleares concêntricas, compostas por duas camadas lipídicas – uma interna e outra externa. Tais membranas separam o conteúdo nuclear do citoplasma ao redor. A membrana nuclear externa, voltada para o citoplasma, é contínua com a membrana do retículo endoplasmático rugoso (RER), e essa continuidade permite que proteínas e lipídios, sintetizados no RER, sejam compartilhados entre as duas estruturas. É comum observar ribossomos ligados à membrana nuclear externa. Já a membrana nuclear interna, voltada para o interior do núcleo, está em contato direto com a cromatina e os componentes nucleares.
A membrana nuclear interna está associada à lâmina nuclear, uma camada fibrosa formada por filamentos intermediários que dão forma e sustentação mecânica ao envelope nuclear. A lâmina nuclear também cumpre um papel importante na organização da cromatina e na expressão gênica. O envelope nuclear é atravessado por vários poros nucleares, chamados de complexo do poro. Esses complexos formam canais que viabilizam a comunicação entre o núcleo e o citoplasma, controlando o transporte de moléculas, como RNA e proteínas, para dentro e para fora do núcleo.
Figura 1 | Estrutura do núcleo celular. Fonte: adaptada de Wikimedia Commons.
No núcleo celular, o DNA está arranjado em cromossomos, as unidades fundamentais de armazenamento da informação genética. Cada cromossomo é constituído por uma extensa molécula de DNA ligada a proteínas histonas e não histonas. As proteínas histonas ajudam a compactar e enrolar a molécula de DNA, permitindo que ela se ajuste dentro do espaço do núcleo. As proteínas não histonas atuam em diversas funções essenciais, como na estruturação, organização e regulação das atividades nucleares. O conjunto formado pelo DNA e proteínas que compõem os cromossomos é chamado cromatina. A cromatina pode apresentar diferentes graus de compactação, variando de uma forma menos condensada, durante os períodos de atividade celular, denominada eucromatina, a uma forma mais condensada, observada durante a divisão celular, conhecida como heterocromatina. A cromatina é altamente dinâmica, e os diferentes graus de condensação afetam a acessibilidade dos genes e, consequentemente, a expressão gênica.
Ao longo dos períodos de atividade celular, a cromatina pode se desenrolar para viabilizar a transcrição dos genes. Já durante a divisão celular, ela se condensa em cromossomos mais compactados para garantir a segregação adequada do DNA. A cromatina desenrolada, quando observada em microscopia eletrônica, lembra um colar de contas. Cada “conta” é um nucleossomo, que corresponde à unidade estrutural básica da cromatina. O nucleossomo consiste em uma porção de DNA enrolado ao redor de um núcleo de proteínas formado por oito histonas, isto é, duas moléculas de cada um dos quatro tipos principais de histonas (H2A, H2B, H3 e H4). Essa estrutura está distribuída ao longo da cadeia de DNA em intervalos relativamente regulares, formando o colar de contas. O DNA presente entre dois nucleossomos é chamado DNA linker, ou DNA de conexão. Durante a divisão celular, os cromossomos se condensam ainda mais e consistem em duas cromátides-irmãs idênticas, que são cópias exatas do mesmo DNA. As cromátides-irmãs são unidas por uma região chamada centrômero. Os humanos apresentam 23 pares de cromossomos, sendo 22 pares somáticos e 1 par de cromossomos sexuais. Cada cromossomo de um par é nomeado cromossomo homólogo, um herdado do pai e o outro, da mãe. O único par não homólogo é o par de cromossomos sexuais.
Figura 2 | Níveis de organização da cromatina. Fonte: Wikimedia Commons.
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Dentro do núcleo, encontramos o nucléolo, responsável pela síntese de ribossomos. Nele, os genes ribossomais são transcritos, processados, e os ribossomos são montados. O nucléolo não possui uma membrana que o delimite, sendo composto por regiões especializadas de cromatina, RNA e proteínas. É geralmente composto por três regiões distintas: o centro fibrilar (local onde ocorre a transcrição do RNA ribossômico – RNAr), a região fibrilar periférica (responsável pelo processamento dos RNAr) e a região granular (local de montagem dos ribossomos). O nucléolo é uma estrutura dinâmica cujo tamanho e forma podem variar de acordo com o estado funcional da célula. Normalmente, quanto maior a demanda da atividade celular, maior será o nucléolo. Isso é especialmente evidente em células envolvidas em processos intensivos de síntese de proteínas, como células glandulares e neurônios, além de células tumorais, as quais muitas vezes apresentam um aumento significativo no tamanho do nucléolo por causa da alta atividade metabólica e da rápida divisão celular. Por outro lado, células com funções menos intensas, como as células endoteliais e as da glia, tendem a ter nucléolos menores. Essa variação no tamanho e forma do nucléolo reflete a adaptação das células às suas necessidades funcionais específicas, o que pode ser um indicador útil da atividade metabólica e do estado funcional da célula. Embora a principal função do nucléolo seja coordenar a síntese de ribossomos, ele também participa da regulação do ciclo celular. Durante certas fases do ciclo celular, como a interfase, o nucléolo pode se expandir e se contrair em resposta às demandas da célula por síntese de proteínas.
Agora que você está familiarizado com as características essenciais do núcleo, seus componentes e organização, e já reconhece a importância vital dessa estrutura para o funcionamento e a sobrevivência celular, será possível compreender a relevância do domínio desse tema para uma atuação profissional eficaz.
AULA 4 - ÁCIDOS NUCLEICOS
Ponto de Partida
O corpo humano é composto por trilhões de células, cada uma desempenhando uma função específica. Elas trabalham em conjunto para o funcionamento do corpo. As células do nosso organismo possuem um conjunto de organelas e estruturas que são capazes de cuidar da proteção, da nutrição, da produção de energia e da reprodução do nosso corpo, as quais são consideradas como as unidades fundamentais da vida. Todos os seres vivos são formados por células, e todas as células, sejam elas procariontes ou eucariontes, têm material genético.
Você já parou para pensar que durante a divisão celular e a reprodução dos seres vivos ocorre a troca de materiais genéticos? E que cada célula do corpo humano é composta por cerca de 25 mil genes? Os genes são entendidos como a unidade fundamental da hereditariedade. Mas o isso significa? O que é um gene? Qual é a diferença entre o cromossomo e o DNA? Não são todos materiais genéticos?
Nesta etapa de aprendizagem, estudaremos os conceitos de gene, a estrutura do cromossomo e do DNA, além de identificarmos as diferenças entre as moléculas de DNA e RNA. Porfim, vamos verificar como está organizado o material genético nas células.
Vamos Começar!
Afinal, o que é um gene? Um gene é um segmento do DNA (ácido desoxirribonucleico) que contém a informação necessária para a produção de uma proteína específica (código), a qual, por sua vez, poderá ser utilizada em um ou mais tipos de células. Então, os genes são os responsáveis por comportar as informações do DNA e fazer a produção de síntese de moléculas de RNA. As moléculas de mRNA são direcionadas para o citosol da célula e lá se ligam aos ribossomos para promover a síntese de proteínas. Mas não são todos os genes que codificam proteínas (polipeptídios ou cadeias de aminoácidos); alguns fornecem informações para a construção de moléculas de RNA, como os RNA transportadores (tRNA) e RNA ribossômico (rRNA).
Assim como a célula é a unidade fundamental da vida, o gene é considerado a unidade fundamental da hereditariedade. Um organismo pluricelular é constituído de muitos genes, e todas as suas células têm os genes iguais, o que as diferencia é o fato de que os genes podem ser ativados ou desativados e, em alguns casos, permanecem ativados o tempo todo por serem cruciais para realizar as atividades da célula. Os genes estão localizados dentro dos cromossomos, em um lugar chamado locus gênico.
É importante saber que os genes nem sempre são iguais quando determinam uma mesma característica, e as formas alternativas que surgem são conhecidas como alelos. Desse modo, os alelos podem estipular a mesma característica em um indivíduo de maneiras diferentes, já que um gene pode ter alelos distintos decorrentes de modificações ou pequenas mutações ocorridas em algumas partes do DNA. A constituição genética de um indivíduo, formada por um conjunto de genes que não podem ser modificados naturalmente, é denominada genótipo, enquanto as características mensuráveis e visíveis, que podem ser modificadas, são denominadas fenótipo.
O genótipo de um indivíduo representa a combinação de dois alelos, um proveniente do pai e outro proveniente da mãe (exemplos: Vv, vv, VV). Já o fenótipo é a expressão desse genótipo, determinado pelo gene e pela influência do meio ambiente (por exemplo: cor dos olhos, cor da pele, cor do cabelo).
Em um cromossomo, estão presentes milhares de genes diferentes, os quais definem diversas características e a frequência com que elas aparecem. Mas como está organizado esse material genético nos organismos? O conjunto de genes de um ser vivo é caracterizado pela sequência completa da molécula de DNA, denominada genoma. O estudo do genoma não apenas permite conhecer a anatomia molecular de um indivíduo e sua espécie, como também viabiliza o estudo e diagnóstico de doenças, síndromes, criação de medicamentos, técnicas de terapia gênica, testes genéticos e a compreensão do processo evolutivo, fornecendo diversas respostas ao campo da ciência.
O genoma está localizado em maior quantidade nos núcleos das células dos organismos eucariontes, mas também aparece nas mitocôndrias e cloroplastos das células vegetais. O DNA tem formato linear e se manifesta em grande número nos organismos eucariontes, onde também são encontradas proteínas histonas, as quais são importantes para a regulação dos genes. Nos procariontes, a molécula do DNA é única e circular. Além disso, graças à ausência de núcleo, o DNA está disperso no citoplasma.
Ácidos nucleicos: DNA e RNA
Os ácidos nucleicos, como o DNA (ácido desoxirribonucleico) e o RNA (ácido ribonucleico), são essenciais para as células, pois armazenam as informações genéticas de um indivíduo, influenciando diretamente o funcionamento do organismo inteiro. Essas moléculas são os guardiões e os mensageiros da informação genética, sendo indispensáveis para a vida e a preservação da diversidade biológica.
A estrutura geral dos ácidos nucleicos (DNA e RNA) consiste em unidades básicas chamadas de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é formado por três componentes principais: uma base nitrogenada, um açúcar (pentose) e um grupo fosfato. No DNA, o açúcar presente na estrutura é a desoxirribose, enquanto no RNA é a ribose. O açúcar está ligado à base nitrogenada e ao grupo fosfato, formando uma estrutura em anel. As bases nitrogenadas são moléculas heterocíclicas constituídas de anéis compostos de átomos de carbono e de nitrogênio. Existem dois tipos de bases nitrogenadas: as purinas e as pirimidinas. As pirimidinas são citosina (C), timina (T) e uracila (U). Já as purinas são adenina (A) e guanina (G). Essas bases estão presentes nas moléculas dos ácidos nucleicos, com exceção da timina, encontrada somente no DNA, e da uracila, presente apenas no RNA. A estrutura de uma molécula de DNA ou RNA é uma cadeia linear de nucleotídeos unidos por meio de ligações fosfodiéster entre o grupo fosfato de um nucleotídeo e o grupo hidroxila do açúcar do próximo nucleotídeo na sequência. Essas ligações fosfodiéster criam uma estrutura de polímero linear onde há uma direção definida. Em uma extremidade da molécula (a extremidade 5'), existe um grupo fosfato livre ligado ao carbono 5' do açúcar, enquanto na outra extremidade (a extremidade 3') há um grupo hidroxila livre no carbono 3' do açúcar. Essa disposição dos grupos funcionais confere uma polaridade à molécula, com uma extremidade 5' e uma extremidade 3'. Por convenção, o sentido 5' para 3' (5' - 3') é utilizado para descrever a sequência de bases no DNA ou RNA. Esse sentido refere-se à direção em que os nucleotídeos são adicionados à cadeia durante a síntese ou replicação. O sentido 5' - 3' indica que a extremidade 5' de um nucleotídeo se liga ao grupo fosfato livre do nucleotídeo adjacente na extremidade 3'. A ligação da base nitrogenada ao açúcar na estrutura dos ácidos nucleicos ocorre por ligações glicosídicas. Essa união entre base nitrogenada e açúcar forma uma estrutura denominada nucleosídeo.
A estrutura do DNA constitui uma dupla hélice, composta por duas cadeias polinucleotídicas enroladas em torno uma da outra. Cada cadeia é constituída por uma sequência de nucleotídeos. Como mencionado anteriormente, na cadeia ou fita de DNA podem estar presentes quatro bases nitrogenadas (A, T, C e G). Essas bases são responsáveis pela codificação da informação genética. As bases se emparelham de maneira específica entre as duas cadeias de DNA (adenina com timina e citosina com guanina). E a ligação entre as bases nitrogenadas de cadeias opostas, ou seja, de diferentes fitas, é dada por ligações de hidrogênio ou pontes de hidrogênio, que mantêm as duas cadeias juntas, formando a estrutura de dupla hélice. A timina de uma cadeia se emparelha especificamente com a adenina de outra cadeia por meio de duas ligações de hidrogênio. A citosina de uma cadeia se emparelha especificamente com a guanina de outra cadeia por meio de três ligações de hidrogênio.
Figura 1 | Estrutura do DNA. Fonte: adaptada de Wikimedia Commons.
Na dupla hélice do DNA, uma das cadeias de nucleotídeos está orientada na direção 5' para 3', enquanto a outra está orientada na direção oposta, 3' para 5'. Isso significa que os grupos fosfato em uma extremidade da molécula estão alinhados com os grupos hidroxila na outra extremidade. Essa orientação antiparalela é importante porque permite que as bases nitrogenadas de uma cadeia formem pares complementares com as bases da outra cadeia. A adenina sempre se emparelha com a timina (ou uracila, no RNA), e a citosina sempre se emparelha com a guanina. Esses emparelhamentos específicos de bases são viáveis por causa das características estruturais das bases e, além de garantir a estabilidade da dupla hélice do DNA, também facilitam a replicação e a transmissão da informação genética. Assim, uma consequência do pareamento específico das bases é o fato de que cada dupla hélice de DNA contém uma sequência de nucleotídeos que é exatamente complementar à sequência nucleotídica da fita antiparalela. Isso significa que, ao conhecer a sequência de nucleotídeos em uma das fitas da dupla hélice, automaticamente se sabe a sequência da fita antiparalela,pois as bases nitrogenadas se emparelham de maneira específica e complementar.
A quantidade de uma determinada base nitrogenada em uma das fitas será a mesma quantidade da sua base complementar na fita antiparalela. Por exemplo, se uma fita de DNA possui a sequência de bases “ATGC”, sua fita complementar antiparalela será “TACG”. Para cada adenina (A) na fita, haverá uma timina (T) na fita antiparalela, e vice-versa. Semelhantemente, para cada citosina (C) na fita, haverá uma guanina (G) na fita antiparalela, e vice-versa.
Uma das funções do DNA é o armazenamento da informação genética, uma vez que contém instruções genéticas que determinam as características hereditárias dos organismos. Essas informações são codificadas em sequências de bases nitrogenadas ao longo das cadeias de DNA. Nas células eucarióticas, a maior parte da informação genética está armazenada no núcleo celular. Entretanto, além do DNA nuclear, também existe DNA nas mitocôndrias e nos cloroplastos de células vegetais e algas. O DNA também participa dos seguintes processos:
· Replicação.
· Controle da expressão gênica: o DNA contém os genes que codificam proteínas e outras moléculas funcionais. Durante a expressão gênica, as informações contidas no DNA são transcritas para o RNA mensageiro (mRNA), o qual, por sua vez, é traduzido em proteínas.
· Mutação e variação genética: as alterações na sequência de bases do DNA, chamadas de mutações, são a fonte primária de variabilidade genética dentro de uma população. Essas variações podem ser cruciais para a evolução e adaptação dos organismos às mudanças ambientais.
Siga em Frente...
O RNA é uma molécula de cadeia simples que se assemelha ao DNA em muitos aspectos, mas possui algumas diferenças estruturais importantes. Para começar, embora a estrutura básica seja a cadeia de nucleotídeos, no RNA o açúcar presente na estrutura do nucleotídeo é a ribose. No RNA, as bases nitrogenadas encontradas são adenina (A), citosina (C), guanina (G) e uracila (U). Ao contrário do DNA, onde a timina (T) está presente, o RNA possui uracila, que se emparelha especificamente com a adenina durante a transcrição. A síntese do RNA ocorre a partir da molécula de DNA, que acaba servindo de molde. A síntese dessa molécula acontece no sentido 5’ - 3. Existem três tipos principais de RNA:
1. RNA mensageiro (RNAm), que transporta a informação genética do DNA no núcleo para os ribossomos no citoplasma, onde ocorre a síntese de proteínas.
2. RNA transportador (RNAt), responsável por transportar aminoácidos específicos para os ribossomos durante a síntese de proteínas.
3. RNA ribossômico (RNAr), um componente estrutural dos ribossomos, que são as máquinas celulares responsáveis pela síntese de proteínas. Forma a maior parte da estrutura dos ribossomos e catalisa as reações de ligação dos aminoácidos durante a tradução.
Figura 2 | Comparação entre DNA e RNA. Fonte: adaptada de Wikimedia Commons.
Agora que já conheceu as principais características dos ácidos nucleicos, bem como sua estrutura e funções exercidas, você será capaz de compreender a importância de dominar esse tema para uma boa atuação profissional.
AULA 5 - COMPARTIMENTALIZAÇÃO CELULAR
Ponto de Chegada
Para desenvolver a competência associada a esta unidade de aprendizagem, que é “Identificar as funções e estruturas das organelas das células eucariontes, bem como o núcleo celular e o material genético que compõem as células”, você precisará, antes de tudo, compreender a principal característica que distingue as células procariontes e eucariontes, além de reconhecer quais são as organelas existentes nas células animais e vegetais.
Durante as aulas, investigamos temas como organelas, diferenciação entre células animais e vegetais, núcleo e material genético. Esses saberes são fundamentais para entender a complexidade e a diversidade dos organismos vivos.
As organelas são estruturas especializadas que desempenham funções específicas dentro das células. Nas células animais e vegetais, encontramos organelas comuns, como o núcleo, as mitocôndrias, o retículo endoplasmático, o complexo de Golgi, os lisossomos e os ribossomos. No entanto, há algumas divergências notáveis entre as células animais e vegetais, especialmente relacionadas às organelas exclusivas de cada tipo celular. Por exemplo, as células vegetais possuem cloroplastos, encarregados da fotossíntese, e vacúolos maiores, que exercem funções de armazenamento e turgor.
O núcleo é uma organela crucial presente em todas as células eucarióticas, onde o material genético é armazenado e controla as atividades celulares. Nele, encontramos o DNA, que contém as informações genéticas essenciais para a vida, e o RNA, que desempenha diversas atribuições, incluindo a tradução das informações genéticas em proteínas. O núcleo regula processos vitais, como a replicação do DNA, a transcrição do RNA e o controle da expressão gênica, garantindo a sobrevivência e a reprodução da célula.
A diferenciação entre células animais e vegetais não se resume apenas às organelas presentes, mas também engloba a sua estrutura e função. Enquanto as células animais geralmente são mais móveis e flexíveis, as células vegetais possuem uma estrutura mais rígida por causa da presença da parede celular. Além disso, as células vegetais têm a capacidade única de realizar a fotossíntese em virtude da presença dos cloroplastos, o que as diferencia das células animais em termos de nutrição e metabolismo.
Portanto, o estudo desses temas proporciona um entendimento abrangente da organização celular, da diversidade dos organismos vivos e dos processos fundamentais que sustentam a vida.
Assimile
O mapa mental a seguir apresenta uma visão geral das principais organelas celulares, que são divididas em duas categorias principais: núcleo e citoplasma. O núcleo é a sede do material genético e do controle das atividades celulares. No citoplasma, encontramos uma variedade de organelas com funções específicas. Os ribossomos são responsáveis pela síntese de proteínas, enquanto as mitocôndrias são os centros de produção de energia da célula. O retículo endoplasmático desempenha um papel indispensável na síntese e no transporte intracelular de proteínas e lipídios, apresentando-se em duas formas distintas: o retículo endoplasmático rugoso (associado à síntese de proteínas) e o retículo endoplasmático liso (envolvido na síntese de lipídios). O complexo de Golgi atua na modificação, empacotamento e distribuição de proteínas e lipídios. Os lisossomos ficam encarregados da digestão intracelular e reciclagem de componentes celulares, enquanto os peroxissomos estão comprometidos com o metabolismo de lipídios e a desintoxicação celular. Nas células vegetais, também encontramos os cloroplastos, responsáveis pela fotossíntese, e os vacúolos, envolvidos no armazenamento de substâncias, na regulação osmótica e na manutenção da estrutura celular. Essas organelas cumprem tarefas cruciais na manutenção da homeostase e no funcionamento adequado das células eucarióticas.
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