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Biologia celular Célula Unidade morfofuncional (forma e função). Menor porção de matéria viva dotada de auto-duplicação independente. Veículo de informação hereditária. Envoltas por uma membrana plasmática Fábricas bioquímicas que usam os mesmos blocos construtores para sintetizar suas moléculas. DNA de fita dupla (duplicação semi-conservativa) Principais catalisadores biológicos: enzimas (proteínas) Sistema auto-catalíticos (interação entre ácidos nucleicos e proteínas) Expressão gênica = síntese proteica. A maioria só pode ser observada com ajuda de microscópios eletrônicos de transmissão e de varredura Micrômetro (µm) 1 µm = 10-6m Nanômetro (nm) 1 nm = 10-9m Ângstron (A) 1 A = 10-10m Teoria celular 1° Lei: Todos os seres vivos são formados por uma célula. 2° lei: Toda célula vem de outra pré-existente. 3° lei: Sede de reações metabólicas (quebra ou construção de moléculas) do organismo 4° lei: Sede de hereditariedade. Origem e evolução das células 1° célula/1° ser vivo :LUCA – primeiro ancestral comum 1° molécula genética: RNA (instável) Indícios mostram que a vida surgiu a partir de uma montagem química molecular. Atmosfera primitiva: N2 CH4 NH3 Vapor d’água(H2O) Formação de macromoléculas se deu por monômeros em polimerização espontânea. Ex: Proteínas Por quê RNA? Sempre quem vem primeiro é o mais simples. A replicação é mais simples que a do DNA Funciona como material genética e participa da síntese proteica Tem capacidade catalítica É quimicamente mais flexível Desoxirribonulceotídeos são derivados de ribonucleotídeos Fonte de informação e enzima Ribozima = RNA Primeira célula - Inclusão do RNA auto-replicativo em uma membrana de fosfolipídios. Relação área e volume Acarretou na invaginação da membrana para facilitar as trocas de substâncias Exceção: Mitocôndrias e cloroplastos que foram por fagocitose de bactérias primitivas. Origem dos eucariotos Surgiram cerca de 1 bilhão e 500 milhões de anos depois dos procariotos (estabelecimento de uma atmosfera de O² estável) Inicialmente surgiram os eucariontes protistas unicelulares que evoluíram para serem protistas pluricelulares que deram origem aos Animália, Fungi e Plantae. Eucarionte Vs Procarionte Fimbria: estruturas de adesão nas superfícies de alguns procariotos. Nucleóide: Região não envolta por membrana onde está localizado o DNA da célula. Parede celular: estrutura rígida fora da membrana plasmática. Cápsula: camada externa de vários eucariotos, semelhante à gelatina. Flagelo: organela de locomoção Plasmídeos: círculos pequenos que ficam fora do DNA e dão a eles as vantagens adaptativas. Como surgiu os eucariontes? Teoria autogênica – organelas surgiram por invaginação da membrana (entrar pra dentro). Principal evidência: As membranas das células e as membranas das organelas são parecidas. Teoria endosimbiótica – a célula eucariótica seria resultado da simbiose com bactérias. Animal Vegetal Processos celulares sobre partículas Endocitose: Captura de grandes partículas que não conseguem atravessar a membrana do meio externo Fagocitose: Engloba partículas sólidas Pinocitose: Engloba partículas liquidas Exocitose: Secreção (Pâncreas – insulina e glucagon) Organelas citoplasmáticas Lisossomos: participam da digestão de substâncias orgânicas. Vacúolos: presentes nos protozoários, participam da digestão intracelular. Retículo endoplasmático liso: tem as funções de realizar a síntese de lipídios, além de transportar e armazenar substâncias. Retículo endoplasmático rugoso: realiza a síntese de proteínas. Centríolos: participam da divisão celular além de originar flagelos e cílios. Complexo de Golgi: realiza a secreção celular, formam o acrossoma e o lisossomo. Ribossomos: realizam a síntese de proteínas. Peroxissomos: processam reações oxidativas, atuando na desintoxicação das células. Mitocôndrias: fazem a respiração celular. Citoesqueleto: Transporte de substâncias e dá forma à célula Hialoplasma: Líquido que preenche a célula Núcleo: Conserva e transmite a informação genética Cromoplastos: Plastos coloridos que armazenam pigmentos Cílios e Flagelos: locomoção e limpeza Cloropastos: Fotossíntese Glioxissomos: Conter lipídios em açúcar Nucléolo: Síntese de proteínas Observações finais sobre célula Obs¹: Parede celular só está presente em plantas, fungos e bactérias Obs²: Parede celular protege de lise osmótica e impede inchação (solução hipertônica “muito soluto”, é chamativo para água). Obs³: Glicólise acontece no citoplasma ou na membrana na respiração da bactéria. Obs4: S é unidade de tempo em Sviedeberg, sendo a sedimentação na centrifugação. Quanto + rápida, maior o S. 1 S = 10-13 segundos. Obs5: Procariontes tem DNA circular e eucariontes linear. Obs6: Elementos presentes na sua composição: C, H, O, N, P, S. Obs7: Apoptose = Morte celular programada. Biomoléculas ou blocos construtores Ácidos nucleicos Carboidratos Lipídios Proteínas Composição percentual de biomoléculas em uma célula Macromo lécula Polimeriza ção Unidade Construtiva Característica notável OBS Proteínas Polímero linear Aminoácido Possui estrutura tridimensional Muitas funções Extremamente versátil quanto à forma/função Ácidos nucléicos Polímero linear Ou circular Nucleotídeo Possuem estrutura tridimensional Auto replicação (RNA) Função catalítica (RNA) Armazena informações genéticas (DNA) Carboidr atos Polímero linear/ram ificado Monos- Sacarídeos Grande diversidade bioquímica Papel energético e estrutural Lipídios Não são polímeros Variável Moléculas apolares Papel estrutural, energético, proteção mecânica e elétrica, impermeabiliz ação... Carboidratos ou glicídios Fórmula química básica (CH2O)n , onde n varia de 3-7 Monossacarídeos Os monossacarídeos podem existir na conformação aberta ou fechada (mais estável). Dissacarídeos Dissacarídeo: composto por dois monossacarídeos unidos por uma ligação glicosídica (ligação covalente formada por reação de desidratação). Dissacarídeo: composto por dois monossacarídeos unidos por uma ligação glicosídica (ligação covalente formada por reação de desidratação). Polissacarídeos Polissacarídeos: macro moléculas poliméricas com centenas a milhares de monossacarídeos unidos por meio de ligações glicosídicas. O tipo e a função de um polissacarídeo são determinados por seus monômeros e pela posição das ligações glicosídicas. Oligossacarídeos conjugados Oligossacarídeos + proteínas = glicoproteínas Oligossacarídeos + proteínas = glicolipídios Lipídeos (gorduras e óleos) Isolante térmico e elétrico Reserva energética Não poliméricos. Altamente hidrofóbicos (características moleculares) Moléculas anfipáticas ou anfifílicas. Complexos: fosfolipídios e glicolipídeos Esteroides: colesterol (LDL, HDL), testosterona, progesterona Simples (ácidos graxos e álcool): Triglicerídeos e cerídeos Ácidos graxos Saturados ou insaturados. Ác.graxos saturados: conformação linear. Ác.graxos insaturados: dobra na cauda de hidrocarboneto. A presença de uma ou mais ligações duplas resulta em agregados menos estáveis (maior fluidez, menor ponto de fusão). Acilgliceróis Glicerol + ácido graxo = ligação éster Mono, di e triglicerídeos Fosfolipídios e esteroides Fosfolipídios: anfipáticos = cabeça hidrofílica (fosfato) +2 cadeias de ácido graxo Esteroides: lipossolúveis e com 17 átomos de carbono ligado sem 4 estruturas cíclicas. Fosfolipídios e esteroides: constituintes fundamentais das membranas biológicas. Triglicerídeo s Proteínas Polímeros lineares de aminoácidos unidos por ligações peptídicas Estrutura de um aminoácido: Ligação peptídica: ligação covalente entre o grupo carboxila de um aminoácido e o grupo amina de outro. Níveis de estrutura das proteínas Estrutura primária: sequência de aminoácidos unidos por ligações peptídicas Estrutura secundária: padrões em hélice, folhas e alças (pontes de H) Estrutura terciária: pontes dissulfeto, pontes de hidrogênio, int. hidrofóbicas Estrutura quaternária: proteínas com mais de uma subunidade Enzimas As enzimas são catalisadores biológicos com alta especificidade. É o grupo mais variado de proteínas. Praticamente todas as reações do organismo são catalisadas por enzimas. Catalisador é uma substância química que não participa da reação química. Diminui a energia de ativação e aumenta a velocidade da reação. Proteínas: Transportadoras – LDL, HDL e ATPases Estruturais – Colágeno: Fornece elasticidade, Queratina: Formação de unhas, pelos, chifres e cascos de animais Defesa – anticorpos, fibrinogênio – Coagulação do sangue Reguladoras – Insulina e glucagon: regula os níveis de glicose no sangue Nutrientes ou de armazenamento – Albumina e caseína Motilidade ou contráteis – Actina e miosina Ácidos nucléicos DNA (Desoxirribonucleico) RNA (Ribonucleico) Fita Dupla Fita Simples Os ácidos nucléicos são formados por uma molécula de açúcar, outra de fosfato e de bases nitrogenadas. Polímeros formados por nucleotídeos Todas as informações genéticas juntas, possuem o nome de Genoma. Em seus núcleos, encontram-se os ribossomos. DNA RNA Transmissão de código genético Síntese de proteínas Açúcar: Desoxirribose Açúcar: Ribose Bases nitrogenadas: Bases nitrogenadas: A = Adenina A = T A = Adenina A = U T = Timina C = G U = Uracila C = G C = Citosina C = Citosina G = Guanina G = Guanina Síntese Proteica (Make a “Proteína”) DNA faz a transcrição para virar RNA, o RNA faz tradução para virar proteína Existem 3 tipos de RNA: RNAm (RNA mensageiro): é resultado da transcrição do DNA, portanto leva a informação presente no DNA para a redução de uma proteína, isto é, diz a sequência de aminoácidos que a proteína irá conter. RNAt (RNA transportador): tem o papel de transportar os aminoácidos até o local e síntese das proteínas (ribossomo). RNAr (RNA ribossômico): Atua na síntese de proteínas. Trincas ou códons = sequência de 3 bases nitrogenadas Suponhamos, então, que no DNA de uma célula existem 30% de guanina. Como cada guanina liga-se somente a uma citosina, a existência de 30% de guanina implica a existência de 30% de citosina. Portanto, restam 40% para as outras bases (adenina e timina). Como o número de A e T é sempre igual, conclui-se que esse DNA contém 20% de adenina e 20% de timina. Vitaminas Compostos inorgânicos Água Solvente universal Manutenção de temperatura dos seres vivos Compõe 70% de um ser vivo Participa do metabolismo Diminui à medida que a idade do organismo aumenta Sais Bactérias Archeas: extremófilas e não causam doença. Eubactérias: causam doenças. Parede celular bacteriana Composta por peptideoglicano Parte sacarídica: N-acetilglicosamina (NAG) e N-acetilmurâmico (NAM) ligados em fileira Fileiras adjacentes ligadas por polipeptídios Função: proteção contra lise osmótica Ribossomos bacterianos Macromoléculas formadas de RNAr+ proteínas Função: síntese proteica (tradução) Catalisam a formação da ligação peptídica (ribozimas) Notas: 1. Hemácia perde o núcleo e não se duplica e sobrevive por 120 dias. 2. Cada enzima tem seu substrato 3. Nem toda enzima é proteica. Membrana plasmática Define os limites da célula Mantém as diferenças essenciais entre os meios extra e intracelular Define as organelas celulares Dupla camada fosfolipídica com extremidades hidrofóbicas para dentro e hidrofílicas para fora Permeabilidade seletiva A membrana plasmática é visualizada com ME após fixação por métodos convencionais: 3 camadas 2 camadas densas externas de 2nm cada (afinidade pelo tetróxidode ósmio) 1 camada intermediária de 3,5nm. Camadas densas – proteínas de ambos os lados Zona clara – caudas dos fosfolipídios Funções da membrana plasmática: Revestimento Permeabilidade seletiva Sinalização e reconhecimento celular Interação célula-célula Comunicação celular Excitabilidade Obs: Possui uma composição fosfolipoglicoproteica, ou seja, formada por lipídios, proteínas, e glicídios. Histórico 1895) Overton - Membrana plasmática lipídica 1925) Gortere Grendel - Bicamada lipídica 1935) Danielli e Davson - Bicamada lipídica no interior + proteínas aderidas a ambas as superfícies. 1961) Robertson - Modelo trilaminar: 3 camadas: densa –clara –densa 1972) Singer e Nicolson - Modelo do mosaico fluido Mas como Singer e Nicolson conseguiram abrir a membrana? A solução foi a criofratura!! Obtenção de membranas para a técnica de criofratura: Eritrócitos ou hemácias: células desprovidas de organelas: fácil para isolamento e obtenção de membranas para estudo. Obtenção através da lise, numa solução hipotônica em água destilada (pouco soluto) Daí a hemácia estoura e fica só a membrana densa descendo até o fundo da solução após a centrifugação. Criofratura = congelamento por nitrogênio líquido 1° coleta a amostra do fundo do tubo e coloca numa superificie metálica 2° congela com nitrogênio líquido 3° fratura usando uma lâmina para partir a membrana 4° recebe um jato de platina com ângulo de 45° ( ela gruda nas regiões pontudas da amostra) 5° recebe um jato de carbono com ângulo de 90° (Plátina + carbono = réplica) “semelhante à modelagem á gesso. 6° digerir a parte orgânica num ácido 7° pegar a réplica e ver no microscópio de transmissão Assim, Singer e Nicolson dividem a membrana e veem que proteínas estão nas duas camadas, elas atravessam a membrana. Face P (+) Face E (-) Mosaico fluido - Os fosfolipídios têm a função de manter a estrutura da membrana e as proteínas têm diversas funções. As membranas plasmáticas de um eucariótico contêm quantidades particularmente grande de colesterol. As moléculas de colesterol aumentam as propriedades da barreira da bicamada lipídica e devido a seus rígidos anéis planos de esteroides diminuem a mobilidade e torna a bicamada lipídica menos fluida. Principais tipos de lipídios encontrados nas membranas de células animais Fosfolipídios Esteroides Glicolipidios (fosfolipídios + glicidios em ligação covalente) Esfingolipidios (se encontra nas células do sistema nervoso) Esfingolipídio Aminoálcool + Ác. Graxo + Radical Fosfolipídios Ácidos graxos: Cadeias longas Cadeias curtas Cadeias saturadas Cadeias insaturadas Cabeça (polar) Duas caudas (ácidos graxos) polar 2 ácidos graxos + glicerol + fosfato + radicalGlicerol – álcool com 3 carbonos 2 carbonos do glicerol se ligam as caudas e no 3° carbono tem 1 grupo fosfato ligado à um radical e este radical que será a diferenciação do fosfolipídio. Àc. Graxo – Pode ter 2 cadeias saturadas ou 2 insaturadas ou 1 de cada Diferenciação por radicais: Fosfatitidilamina carga neutra Fosfatidilserina carga negativa Fosfatidilcolina carga neutra Fosfatidilinositol carga negativa Apoptose – macrófagos digerem a célula, mas para isso os fosfolipídios de carga negativa têm de ir para a camada de fora da célula e assim sinaliza ao macrófago. Obs: os fosfolipídios de carga negativa só podem ficar voltados pra dentro da célula. Para saber como se forma a camada fosfolipidica basta jogar eles na água. Se forem de perna única irão rapidamente se agregar e formar um círculo chamado de miscela. Se forem de perna dupla ela realiza a auto-selagem na agregação e dobra-se sobre si mesma formando a bicamada, este é chamado de lipossomo. Lipossomo acaba virando um veículo para aplicar determinados produtos ao paciente e é usado para estudar a fluidez, então os fosfolipídios são marcados com substancias fluorescentes para ver essa fluidez atuando sem colesterol, o que o torna instável. Membranas sintéticas ou membranas negras onde é estudado a permeabilidade seletiva, onde a água passa do meio menos concentrado para o mais concentrado. Assimetria da membrana O que mantém a assimetria? Enzimas, glicolipidios, glicocálix e algumas proteínas ficam sempre na face E. Assimetria permite: Composição diferencial de fosfolipídios Orientação das proteínas de membrana Diferenças nas atividades enzimáticas na superfície interna e externa da membrana Movimento dos fosfolipídios Rotação – espontâneo (girar em torno de si mesma). Difusão lateral – espontâneo (troca de lugar com vizinhos). V = 107 vezes por segundos. Difusão transversal – gasta energia “flip-flip” através de enzimas flipases (troca de camada). Fluídez da membrana Tm = transição de fase Como regular a fluidez? Colesterol, temperatura e composição da membrana Se a temperatura tá grande, cria mais fosfolipídios = menos fluidez Insaturação = dificulta interação entre fosfolipídios e se movimenta mais Quanto maior a cauda do fosfolipídio, mais ligações e mais rígida a membrana. Quanto mais ligações possuir menos fluida é. Proteínas da membrana Proteínas integrais (70%) Fortemente ligadas à membrana. Anfipáticas Maioria das enzimas da membrana, proteínas transportadoras, receptores Extração → tratamentos drásticos (detergentes, sais biliares, solventes orgânicos) Proteínas extrínsecas ou periféricas (30%) Fracamente ligadas à superfície (forças eletrostáticas ou ligações hidrófobicas) Obs: Se a proteína possui um poro para passagem de sódio... os aminoácidos polares ficam em torno do poro. Se a proteína atravessar a membrana uma vez só, ela é unipasso, caso seja mais de uma vez, ela é multipasso. Lâmina basal fica entre epitélio e matriz Região que as membranas se tocam – junção ocludente = impede e limita a mobilidade de proteínas Notas: Matriz extracelular = “cimento” Proteína ≠ de célula para célula Poro = canal iônico O citoesqueleto “segura” a célula para manter a forma Glicocálix ou glicocálice Carboidratos: Protege a célula de agressões físicas e químicas do meio externo Cadeias ramificadas com <15 unidades de açúcar Cobertura da membrana celular (10-20nm) Glicolipídios→ lipídios + carboidratos Glicoproteínas → proteínas + carboidratos Produtos de secreção da célula Constantemente renovados Adesão: célula-célula e célula matriz Proteção da membrana plasmática Reconhecimento celular Rafts Lipídicos Criado por Simons e Van Mels (1988) Contradiz mosaico fluido que diz que as proteínas estão aleatoriamente na membrana. São “brigas” entre esfingolipídeos, colesterol e proteínas. Microdomínios (facções). Concentra em uma zona todas as proteínas e componentes necessários para transmitir informação para a célula. Descoberta porque permaneciam intactas quando detergentes eram utilizados para solubilizar a membrana. As proteínas GP por exemplo, são modificadas pela adição de ácidos graxos para que ela se ligue à membrana. Fosfatidilinositol pode ser fosforilado para virar um sinalizador receptor e daí outras enzimas importantes substituem essa quebra do fosfatidilinositol. Nem todas as proteínas podem se juntar à elas até que estejam oligomerizadas. São estruturas dinâmicas podendo mover-se na membrana unindo-se para ficar maior ou separando-se para ficar menor. Membrana celular Barreira que separa o compartimento intra do extracelular Isolamento físico Regulação de trocas com o meio - Permeabilidade seletiva Comunicação celular Suporte estrutural com o citoesqueleto Junções especializadas entre células adjacentes Permeabilidade seletiva depende de dois fatores: O conjunto de proteínas transportadoras e as propriedades bioquímicas da camada. Proteínas transportadoras sempre são transmembranas. Poros nas proteínas permitem a passagem de íons; Ex: Sódio e Potássio. Transportadores mantém concentrações diferentes dentro e fora da célula. Ex: Ca possui baixa concentração, é mensageiro, se Ca for alto está sinalizando e interfere nas outras concentrações em seu reconhecimento. Legenda As setas indicam a capacidade de moléculas atravessarem a membrana sem transportadores e suas espessuras indicam se a molécula passa facilmente pela célula ou não. Moléculas hidrofóbicas e pequenas são rápidas. Moléculas grandes, apolares e os íons com cargas. Só passam com transportadores. K é calculado quando vê como uma substância solubiliza no óleo e na água. Se muito solúvel em água, K abaixa. Se pouco solúvel em água, K aumenta. Tipos de transporte Proteínas de transporte: 1. Proteína de Canal – apresenta um canal aquoso ao longo de toda a sua molécula transmembrana, que permite o livre movimento de determinados íons ou moléculas (difusão); 2. Proteínas carreadoras – fixam-se às substâncias que vão ser transportadas e sofrem alterações em sua forma, transportando as substâncias através da membrana (transporte ativo). Gasta diretamente energia de ATP, cria o gradiente e as diferenças de concentrações. As proteínas transportadoras contra o gradiente de concentração são chamadas de bomba. Sem transporte ativo – Concentração fica igual dentro e fora das células. Transporte passivo: sem gasto de energia e à favor do gradiente de concentração e depende do transporte ativo indiretamente. Osmose (meios isotônicos, hipotônicos e hipertônicos): transporte de solvente, contra o gradiente de concentração, através de membrana semipermeável e sem gasto de energia. Sempre do local de menor concentração de soluto para o de maior concentração. A pressão com a qual a água é forçada a atravessar a membrana é conhecida por pressão osmótica. Difusão: movimento de moléculas que seguem o fluxo do meio mais concentrado de soluto, para o menos concentrado, sem gasto de energia. A difusão que ocorre na membrana plasmática, pode ser de 2 tipos: 1.Difusão simples: sem a necessidade de proteínas de transporte; ocorre com substâncias lipossolúveis; também ocorre por meio de proteínas de canais como "aquaporinas";2.Difusão Facilitada: ocorre com auxílio de proteína transportadora (permease), que se liga à substância e a transporta para dentro ou fora da célula – isso ocorre com a glicose, por exemplo. Endocitose: quando o transporte em quantidade é para o interior da célula; pode ocorrer por fagocitose (quando a célula engloba partículas sólidas) ou pinocitose (quando a célula engloba partículas líquidas). Exocitose: quando o transporte de substâncias, em quantidade, é direcionado para fora da célula. Canal iônico(poros) – seleciona o íon que entra e sai da célula através de “portões” que abrem e fecham. Gradiente de concentração – o íon sai onde tem menos concentração para onde tem mais concentração, está à favor do gradiente eletroquímico (depende do íon e de onde concentra-se mais). Gradiente eletroquímico – Concentração de Íons com cargas dentro e fora da célula. Gradiente de concentração + potencial de membrana = gradiente eletroquímico. Trabalha pra aumentar a força motriz de transporte de um íon. Potencial de membrana (gradiente elétrico) - diferenças de cargas entre uma face e outra da membrana. É uma consequência importante do transporte seletivo de íons através de membranas. Acúmulo de carga positiva onde tem + íon positivo (positivo com positivo se repelem e por isso o gasto de energia). Microeletrodos (usado para medir potencial de membrana) – 70 milivolts = diferença entre fora pra dentro da célula. Carga negativa dentro da célula. Proteínas de transporte de membrana Não encaixa nada, é como uma torneira. Soluto tem de encaixar na proteína o que diminui a velocidade. Transporte de soluto Uniporte – um soluto transportado Acoplado – dois solutos diferentes Acoplado simporte – vão na mesma direção Acoplado antiporte – vão em direções opostas São transportes ativos secundários. Acoplado pode ter bombas (alguém pega carona e vai contra o gradiente e alguém fica como isca). Se tiver muito hidrogênio, pH fica baixo, que é ruim pra enzima. Antiporte Na+/H+ regula o pH. O transporte de solutos por proteínas carreadoras depende de mudanças conformacionais. Canais iônicos Filtro de seletividade possui encaixe perfeito - O íon deve estabelecer ligações com os 4 aminoácidos. A maioria fica fechado que se abre por estímulos, mas podem ser também abertos ou inativos. Tipos de estímulos Os estímulos fazem o potencial se inverter e despolarizar. Ex: Neurônios sensoriais alteram a conformação para abrir o canal. Proteínas carreadoras Distribuição de transportadores na membrana Transporte passivo de soluto Transporte ativo de soluto vai contra o gradiente eletroquímico Realizado por bombas “pumps” As bombas são responsáveis por criar e manter os gradientes de concentração!!! Classes de bombas movidas a ATP Bombas de classe P Bomba de Na+ e K+ Transporte acoplado de sódio e potássio contra seus gradientes eletroquímicos. Eletrogênica: contribui diretamente com 10% do potencial de membrana. Transporte de água DNA (Desoxirribonucleico) RNA (Ribonucleico)
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