Apostila Biologia Celular

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INTRODUÇÃO
A maioria das proteínas de canal presentes na membrana plasmática das células que conectam o meio intracelular ao meio extracelular possui poros estreitos fortemente seletivos, que podem abrir e fechar e são envolvidos de modo específico com o transporte de íons inorgânicos. A essas proteínas dá-se o nome de canais iônicos.
Os canais iônicos formam poros aquosos através da bicamada lipídica e permitem que íons inorgânicos, de tamanho e carga apropriados, cruzem a membrana a favor de seus gradientes eletroquímicos. Os canais são controlados e geralmente abrem temporariamente em resposta a uma perturbação específica na membrana, como uma mudança no potencial de membrana ou uma ligação de um neurotransmissor.
O ligante pode ser tanto um mediador extracelular (neurotransmissor), ou um mediador intracelular, como um íon ou um nucleotídeo. Talvez os canais iônicos mais comuns sejam aqueles permeáveis a K+, que são encontrados na membrana plasmática.
CANAIS IÔNICOS
Os canais iônicos são formados por proteínas integrais e estão presentes nas membranas plasmáticas das células. Formam poros responsáveis pelo transporte de nutrientes entre o meio extracelular e intracelular, os íons, a água e pequenas moléculas podem atravessar a bicamada lipídica das membranas celulares, graças a estes poros formados por proteínas transmembranares. As quais mantêm o funcionamento perfeito da vida celular e conseqüentemente da homeostasia no corpo humano.
Os canais iônicos regulados por ligantes são também conhecidos como receptores ionotrópicos. Trata-se de proteínas da membrana com estrutura semelhante à de outros canais iônicos, mas que incorporam um sítio de ligação (receptor) de ligante, geralmente no domínio extracelular. Tipicamente, são os receptores sobre os quais atuam os neurotransmissores rápidos. Os exemplos incluem o receptor nicotínico de acetilcolina, o receptor GABAA e os receptores de glutamato dos tipos NMDA (N-metil-D-aspartato), AMPA (a-amino-3-hidroxi-5-metil4-isooxazolpropionato) e cainato.
Alguns canais incorporam um receptor e só se abrem quando este estiver ocupado por um agonista. Outros são regulados por diferentes mecanismos, sendo os canais iônicos regulados por voltagem particularmente importantes. Em geral, os fármacos podem afetar a função dos canais iônicos ao interagirem com o sítio receptor dos canais regulados por ligantes ou com outras partes da molécula do canal.
PROPRIEDADES DOS CANAIS IÔNICOS
1. Condução iônica
2. Seletividade
3. Capacidade de abrir e fechar
Condução iônica
Permitem a passagem de grande quantidade de íon em curto intervalo de tempo (até 100.000.000 de íons por segundo). Sendo muito rápido com escala de tempo em milissegundos (1-2 ms). Esta elevada condutância é que permite gerar os potenciais de ação.
Seletividade
Os canais iônicos formam poros estreitos fortemente seletivos, sendo assim, existem canais específicos para determinados íons (sódio, potássio, magnésio, cálcio, entre outros). Desta forma os canais iônios atuam como filtros de passagem seletiva para os íons.
A seletividade desses canais depende basicamente do diâmetro do poro e das cargas elétricas presentes no interior do canal, estas cargas são provenientes dos aminoácidos que compõem as subunidades protéicas do canal. A presença de aminoácidos polares no interior do canal permite a liberação do íon das moléculas de água e liberam a passagem pelo canal
Capacidade de abrir e fechar
Estes canais abrem e fecham de acordo com estímulos, físicos, químicos, eletromagnéticos, mecânicos, entre outros. E são envolvidos de modo específico com o transporte de íons inorgânicos permitindo aos íons de tamanho e carga apropriados, que cruzem a membrana a favor de seus gradientes eletroquímicos. Os canais que permitem a passagem contínua de íons são os “canais abertos”. Os canais que dependem de estímulos são os chamados “canais controlados por comportas”. Estes últimos são altamente específicos: existem canais para o Sódio (Na+), Potássio (K+) etc. Também podem abrir mediante alterações da voltagem da membrana, os chamados “dependentes de voltagem”. Ou então os canais podem abrir por substâncias específicas, os neurotransmissores. Neste caso são chamados “dependentes de ligantes”.
Alguns destes canais podem se apresentar internalizados e posteriormente externalizados mediante estímulos específicos. A nomenclatura dos canais iônicos está associada, na maioria das vezes, ao tipo de íon transportado através do canal. Por exemplo: canais de sódio, canais de potássio, canais de cálcio, entre outros. Existem muitos subtipos já descritos na literatura especializada, sendo assim, a nomenclatura pode ser bem variável  no que diz respeito aos subtipos destes canais.
Podemos citar os canais de sódio operados por voltagem como um exemplo clássico de canais de comporta ativados por voltagem, esse tipo de canal apresenta duas comportas; uma externa e outra interna, quando estão no seu estado de repouso (-90 mV nos neurônios) a comporta externa permanece fechada, diferentemente do canal de potássio, que apresenta uma comporta e consequentemente apenas dois estados distintos (repouso e ativado).
MECANISMO DE COMPORTAS
CANAIS REGULADOS POR VOLTAGEM
Os canais regulados por voltagem abrem-se, em sua maioria, quando a membrana celular é despolarizada. Formam um grupo muito importante, visto que constituem a base do mecanismo de excitabilidade da membrana. Os canais mais importantes desse grupo são os canais seletivos de sódio, potássio ou cálcio.
Em geral, a abertura (ativação) do canal, induzida pela despolarização da membrana, é de curta duração, mesmo quando a despolarização é mantida. Isso se deve ao fato de que, em alguns canais, a ativação inicial do canal é seguida de um processo mais lento de inativação.
Canais de k+ controlados por voltagem
Os canais de potássio tem notável sensibilidade iônica. O canal é composto de quatro subunidades transmembrana idênticas que, juntas, formam um poro central através da membrana. Cada subunidade contribui com duas hélices transmembrana que são inclinadas para o exterior na membrana e, juntas, formam um cone por onde os íons de potássio deixam o canal. A cadeia polipeptídica que conecta as duas hélices transmembrana forma um curta α-hélice e uma alça que forma uma protusão no cone para formar o filtro de seletividade. A estrutura desse filtro explica a seletividade iônica fina do canal.
Assumindo que esta estrutura permanece intacta na membrana plasmática, quando há o impulso ocorre uma alteração conformacional no canal de potássio, distorcendo-o de maneira que permita a “abertura” do canal, havendo assim, a passagem dos íons através da membrana. Esta movimentação iônica gera uma corrente elétrica que despolariza a membrana. As células que mais utilizam esses canais iônicos são os neurônios.
Canais de Ca2+ controlados por voltagem
Os canais de cálcio contém um sensor de voltagem que consiste de quatro subunidades ou domínio internos repetidos, que contém seis regiões transmembranares em α-hélice. Diferentemente dos canais de potássio, que têm elevada seletividade, os canais de cálcio servem-se de resíduos glutamato, cujas cadeias laterais carboxílicas provavelmente atingem o lúmen do poro, de modo a bloquear o fluxo de sódio, mas rearranjando-se de maneira a interagirem com os íons de cálcio. Devido ao fluxo desses íons ser controlado por potencial transmembranar elétrico, esse canal é denominado controlado por voltagem.
CANAIS REGULADOS POR LIGANTES
Os canais iônicos controlados por transmissores ou ligantes são especializados em converter os sinais químicos extracelulares em sinais elétricos. Estão concentrados na membrana plasmática da célula pós-sináptica e abrem-se temporariamente em resposta à ligação de moléculas neurotransmissoras, produzindo assim, uma breve mudança de permeabilidade da membrana.
Estes canais, ao contrário dos canais controlados por voltagem, são insensíveis ao potencial de membrana e não podem produzir uma excitação auto -amplificada. Produzem mudanças de permeabilidade local graduadas de acordo com a quantidade de neurotransmissor liberado na sinapse e o tempo de persistência na mesma.
Os canais iônicos controlados por transmissor diferem dos outros de várias formas importantes. Primeiramente, como receptores, eles apresentam sítio de ligação altamente seletivo. Segundo, eles são seletivos ao tipo de íon que cruza a membrana plasmática. Os neurotransmissores excitatórios abrem canais de cátions, induzindo a entrada de sódio, que despolariza a membrana para ativar um potencial de ação. Os neurotransmissores inibitórios abrem tanto canais de cloro como canais de potássio.
Os canais regulados por ligantes são ativados pela ligação de um ligante químico a um sítio existente na molécula do canal. Os neurotransmissores rápidos, como glutamato, acetilcolina, GABA e ATP, atuam dessa maneira e ligam-se a sítios no lado externo da membrana. Alguns canais regulados por ligantes na membrana plasmática respondem a sinais intracelulares mais do que a sinais extracelulares, e os mais importantes incluem:
Os canais de potássio ativados por Ca2+, que são encontrados na maioria das células e que se abrem com conseqüente hiperpolarização da célula, quando os níveis intracelulares de Ca2+ aumentam;
Os canais de potássio sensíveis ao ATP, que se abrem quando ocorre queda das concentrações intracelulares de ATP em conseqüência da deficiência de nutrientes na célula. Esses canais, que são muito distintos dos que medeiam os efeitos excitatórios do ATP extracelular, são observados em muitas células nervosas e musculares e também ocorrem em células secretoras de insulina, onde fazem parte do mecanismo que liga a secreção de insulina ao nível de glicemia;
O receptor vanilóide, cujo sítio de ligação da capsaicina (e, possivelmente, de mediadores endógenos); reside na parte citoplasmática da molécula.
NEUROTRANSMISSORES EXCITATÓRIOS E INIBITÓRIOS
Muitos transmissores podem ser excitatórios ou inibitórios, dependendo de onde são liberados, de quais receptores ligam e de quais condições iônicas se encontram.
A acetilcolina pode excitar ou inibir, dependendo do tipo de receptores a que se liga. Geralmente, acetilcolina, glutamato e serotonina são usados como transmissores excitatórios e o ácido γ-aminobutírico (GABA) e a glicina são utilizados como transmissores inibitórios.
DESENVOLVIMENTO DE FÁRMACOS ATUANTES NOS CANAIS IÔNICOS
Do ponto de vista funcional, quatro tipos de canais iônicos são importantes:
Os canais de Na+, K+, Ca2+ e Cl-. A permeabilidade de alguns destes canais é regulada pela ativação de receptores, sendo os mais importantes os receptores de GABA, glutamato e glicina.
Os receptores de glutamato podem estar na base de certos tipos de susceptibilidade a convulsões, sendo assim, seus bloqueadores podem ter interesse anti-convulsionantes. Dada a grande profusão dos receptores de glutamato no sistema nervoso central, eles são alvos para varias intervenções terapêuticas, como por exemplo na regulação da função anormal em doenças neurológicas.
Os receptores GABA fazem parte do canal de cloreto. Alterações na configuração desses receptores facilitam a entrada de cloreto. Diversas drogas antiepilépticas atuam nesses receptores.
“Uma droga antiepiléptica pode ser definida como uma substância que quando administrada por um determinado período, pode diminuir a incidência ou severidade das crises epiléticas que acometem pacientes portadores de síndrome epilética.”
Diversos mecanismos têm sido propostos para ação das drogas antiepiléticas, mas, de maneira geral, atuam por três mecanismos:
Limitação dos disparos neuronais repetitivos através do bloqueio de canais iônico dependentes de voltagem ;
Incremento da neurotransmissão inibitória mediada por GABA ;
Bloqueio da transmissão glutamatérgica excitatória.
Os receptores de glicina fazem o mesmo que os receptores GABA, mais são distintos deles. O bloqueio desses receptores origina convulsões. Alguns fármacos funcionam como antiepilépticos atípicos e são utilizados no tratamento de hipertensão, angina e arritmias cardíacas, pois atuam bloqueando os canais de cálcio.
A maioria dos canais iônicos não está acoplado a receptores e sua permeabilidade não depende de estimulação. Dada a importância de suas funções em que estão implicados, os canais de cálcio são os que maior importância têm no ponto de vista clínico. Estão ligados ao desencadeamento da contração cardíaca e de tecidos secretores, além de células nervosas.
Todos os fármacos antagonistas do cálcio têm a propriedade de bloquear o fluxo transmembranar de cálcio através dos canais dependentes da voltagem. Estes fármacos têm sido utilizados no tratamento de hipertensão arterial, insuficiência coronária, certas arritmias cardíacas, disfunção diastólica ventricular esquerda, enxaqueca, espasmos esofágicos e na doença bipolar.
IMPORTÂNCIA DO CANAL IÔNICO
O funcionamento desses canais é primordial para o funcionamento das células, e conseqüentemente do corpo humano, já que o transporte de íons através destes canais não serve apenas como fonte de nutrientes para a célula, mas também é um importante fator gerador de energia, pois as diferenças elétricas geradas através dos diversos tipos de transporte intermembranar é um fator importante no contexto da geração de energia pela célula e na manutenção da homeostasia. Além disso, diversas patologias tem a sua origem no mau funcionamento de alguns tipos de canais iônicos, como ocorre nas canalopatias epilépticas.
Diversos mecanismos fisiológicos dependem do bom funcionamento dos canais iônicos, todos os potenciais de ação gerados pelas células excitáveis do nosso organismo (canais de sódio, potássio e cálcio principalmente), os batimentos cardíacos, a manutenção da constituição dos nossos líquidos intracorporais e muitos outros mecanismos homeostáticos.
CONCLUSÃO
Como podemos observar, diversos fenômenos químicos estão envolvidos no equilíbrio do corpo humano e qualquer distúrbio no funcionamento dos canais iônicos acarreta grandes malefícios. Porém, diversos estudos permitiram o desenvolvimento de fármacos que permitem ao indivíduo uma melhor qualidade de vida.
		O que é potencial de membrana?
		O potencial de membrana corresponde à diferença de potencial elétrico entre as faces externa e interna da membrana de um neurônio. O potencial de repouso corresponde a esse valor em um neurônio que não está transmitindo nenhum impulso nervoso. O que gera o potencial de repouso é a diferença de concentração de íons sódio (Na+) e potássio (K+) dentro e fora da célula. Por causa dessa diferença, dizemos que a membrana está polarizada. O que mantém esta diferença é o mecanismo de bombeamento de íons (transporte ativo), forçando o sódio a sair e o potássio a entrar, com gasto de energia. Graças ao bombeamento, os íons K+ ficam mais concentrados do lado interno e os íons Na+, do lado externo da célula. Como a membrana é mais permeável ao potássio do que ao sódio, a quantidade de íons K+ que sai por permeabilidade é maior do que a de íons Na+ que entram pelo bombeamento. Como resultado, a célula perde cargas positivas e as negativas ficam em excesso, deixando o interior da membrana negativo em relação ao lado externo (há 30 vezes mais potássio dentro da célula do que fora desta). O valor do potencial de repouso é de –70mV. O potencial de repouso deixa o neurônio preparado para receber um estímulo e, consequentemente, transmitir o impulso nervoso. A bomba de sódio potássio mantém a membrana polarizada (no potencial de repouso). No caso do potencial de ação, o que ocorre é que um estímulo provoca mudança de permeabilidade na membrana, abrindo uma porta de passagem para o sódio que penetra na célula abruptamente, despolarizando a membrana. Após 1,5 milésimo de segundo, as portas de passagem de potássio se abrem, permitindo sua saída. Com isso, a membrana é repolarizada, voltando à condição de repouso.
COMPARTIMENTOS INTRACELULARES
Diferentemente de uma bactéria,que geralmente consiste em um único compartimento intracelular envolto por uma membrana plasmática, uma célula eucariótica é subdividida de forma elaborada em compartimentos funcionalmente distintos envoltos por membranas. Cada compartimento, ou organela, contém seu próprio conjunto característico de enzimas e outras moléculas especializadas, e um sistema de distribuição complexo transporta produtos específicos de um compartimento a outro. Para entender a célula eucariótica é essencial conhecer como a célula cria e mantém esses compartimentos, o que ocorre em cada um deles e como as moléculas se movem entre eles.
As proteínas conferem características estruturais e propriedades funcionais a cada compartimento. Elas catalisam as reações que ocorrem em cada organela e transportam seletivamente pequenas moléculas para dentro ou para fora de seu interior, ou lúmen. As proteínas também servem como marcadores de superfície organela-específicos que direcionam a entrega de novas proteínas e lipídeos em organelas apropriadas.
Uma célula animal contém cerca de 10 bilhões (1010) de moléculas proteicas de aproximadamente 10 mil tipos, e a síntese de quase todas elas inicia-se no citosol. Cada proteína sintetizada novamente é então entregue especificamente ao compartimento celular que a necessite. Ao acompanhar o tráfego das proteínas de um compartimento a outro, podemos começar a entender o labirinto confuso de membranas intracelulares
Os cloroplastos e o processo de fotossíntese
Os cloroplastos são ricos em clorofila e são responsáveis pela fotossíntese. O seu número é variável de célula para célula. Apresentam duas membranas, uma externa (lisa) e uma interna (pregueada, formando lamelas). Possuem DNA e são capazes de auto-reprodução.
A fotossíntese é o fenômeno pelo qual os organismos clorofilados retêm a energia da luz e a utilizam na reação entre o CO2 e a água para obtenção de glicose (matéria orgânica), com liberação de O2para o meio. A fotossíntese representa uma fonte permanente de matéria orgânica que é usada como alimento por todos os seres heterotróficos, como também possibilita a renovação constante do ar atmosférico, retirando o gás carbônico e liberando o oxigênio.
6CO2 + 12H2O --> C6H12O6 + 6H2O + 6O2
A fotossíntese compreende duas etapas: a fase luminosa e a fase escura.
A fase luminosa exige a participação da luz para a formação de ATP (adenosina trifosfato) e fotólise da água (rompimento da molécula de água com liberação de oxigênio).
Encerrada a primeira fase, tem prosseguimento a segunda, mesmo na ausência de luz, daí a denominação de fase escura.
As mitocôndrias e o reprocessamento de energia na célula
As mitocôndrias apresentam duas membranas: uma externa (lisa) e uma interna (pregueada, formando as cristas mitocondriais). Elas extraem a energia acumulada nas moléculas orgânicas formadas na fotossíntese, guardando-a em moléculas de ATP, no processo chamado de respiração.
A respiração pode ser aeróbia ou anaeróbia.
A respiração aeróbia é uma seqüência de reações de degradação das moléculas orgânicas, visando à liberação da energia nelas contidas, afim de guardá-las em moléculas de ATP, com a participação do oxigênio molecular (O2).
Acontece em três etapas: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória.
A glicólise acontece no citoplasma
O ciclo de Krebs ocorre na matriz mitocondrial
A cadeia respiratória nas cristas mitocondriais. Durante o processo são utilizados a glicose ou outros metabólitos, o O2 e ADP, resultando na formação de CO2, H2O e 38 moléculas de ATP.
C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O + ENERGIA
A respiração anaeróbia é uma forma de obtenção de energia pela oxidação de compostos orgânicos, porém com a utilização de substâncias inorgânicas como nitratos, sulfatos ou carbonatos no lugar do oxigênio. O ganho energético é inferior ao da respiração aeróbia. Ocorre em microorganismos como as bactérias denitrificantes do solo, as leveduras, etc.
O principal tipo é a fermentação que pode ser alcoólica, lática ou acética.
A fermentação é uma modalidade de respiração anaeróbia em que os íons hidrogênio liberados não são recolhidos nem pelo oxigênio (r. aeróbia) nem pelos compostos inorgânicos, mas sim pelos próprios subprodutos da degradação da glicose, como o ácido pirúvico.
Na fermentação alcoólica, o ácido pirúvico dá como produtos finais o álcool etílico e CO2.
Na fermentação lática, o ácido pirúvico se transforma em ácido lático.
Na fermentação acética, o ácido pirúvico forma ácido acético e CO2.