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CITOLOGIA Prof. Dr. Ricardo Tabach 2 SUMÁRIO BLOCO 1: INTRODUÇÃO À CITOLOGIA ................................................................................ 03 BLOCO 2: NÚCLEO DA CÉLULA ............................................................................................ 11 BLOCO 3: PROCESSOS DE SÍNTESE E DEGRADAÇÃO DE MOLÉCULAS ................................. 17 BLOCO 4: MITOCÔNDRIA .................................................................................................... 24 BLOCO 5: MEMBRANA PLASMÁTICA .................................................................................. 31 BLOCO 6: CÉLULAS PROCARIONTES .................................................................................... 38 3 BLOCO 1: INTRODUÇÃO À CITOLOGIA O estudo da matéria viva revela uma grande variedade de formas de vida. Contudo, em nível celular e molecular, estes seres vivos apresentam um único padrão de organização. A citologia, junto com a biologia molecular, estuda esse padrão de organização, analisando as moléculas e todos os componentes celulares que constituem as diferentes formas de vida. Os seres vivos são considerados “máquinas químicas” e, atualmente, quase todos os conhecimentos e novos estudos sobre esses seres se fundamentam no funcionamento das células. Neste bloco, será apresentada uma visão geral e panorâmica da célula, bem como a sua organização molecular, com a finalidade de fornecer subsídios para compreender o funcionamento de suas organelas e sua importância para os seres vivos. 4 1.1 O que é Citologia A Citologia é a área da Biologia que estuda a estrutura, o padrão de organização, as funções e a evolução das células. A Célula é a unidade estrutural e funcional dos seres vivos. Quando isoladas, formam os seres unicelulares e, quando organizadas em arranjos ordenados – os tecidos –, originam os seres pluricelulares. É possível classificar as células em duas categorias: Procariontes (pro: primeiro; cario: núcleo) – células mais simples, com escassez de membranas; nessas células, os cromossomos não são separados do citoplasma (ausência de membrana nuclear). A única membrana existente é a plasmática. Os organismos que apresentam esse tipo de célula são chamados de organismos procariotas. Por exemplo: bactérias e algas azuis. Eucariontes (eu: verdadeiro; cario: núcleo) – células mais complexas, com um núcleo individualizado e separado do citoplasma pelo envoltório nuclear. No citoplasma encontramos uma riqueza de membranas dividindo a célula em diversos compartimentos; os organismos que apresentam esse tipo de célula são chamados de organismos eucariotas. Por exemplo: a grande maioria dos seres vivos, exceto as bactérias e algas azuis. 5 Os compartimentos celulares presentes no citoplasma formam as organelas celulares, estruturas geralmente envolvidas por membrana e que desempenham funções bem definidas para a célula, por exemplo, a mitocôndria, os lisossomos, o retículo endoplasmático etc. Além dessas estruturas, encontramos no citoplasma as inclusões citoplasmáticas, que são concentrações/depósitos de material de reserva ou produtos do metabolismo sintetizados pela célula ou captados do meio, como é o caso do cálcio, ferro e glicogênio. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 1.2 Organização celular (células eucariontes) As células apresentam formas, tamanhos e estruturas variáveis e são diferenciadas de acordo com sua função nos diversos tecidos, adquirindo características únicas. Contudo, existem aspectos gerais comuns à maioria das células eucariontes. Núcleo: constitui um compartimento separado, envolvido pela membrana nuclear (carioteca), de formato variável e bem individualizado; no seu interior encontramos a matriz nuclear (nucleoplasma), o nucléolo, onde são sintetizados os RNAs ribossômicos e a cromatina, formada por DNA. A carioteca é composta por duas membranas, perfuradas por orifícios chamados poros nucleares, responsáveis pela comunicação entre o núcleo e o citoplasma. Citoplasma: outro compartimento envolvido pela membrana plasmática. No citoplasma há diversos compartimentos menores que formam as organelas, que desempenham diversas funções para as células, são eles: 6 o Retículo endoplasmático liso: rede de vesículas achatadas, esféricas e túbulos que se intercomunicam e participam da síntese de diversas substâncias como os hormônios esteroides; o retículo endoplasmático rugoso tem a sua superfície externa coberta por ribossomos, responsáveis pela síntese de proteínas. o Ribossomos: além do retículo, também são encontrados livres no citoplasma, sendo constituídos de RNA ribossômicos e proteínas. Cada ribossomo é formado por duas subunidades de tamanhos diferentes, que se associam somente quando se ligam aos filamentos do RNA mensageiro. o Complexo de Golgi: formado por diversas cisternas e vesículas de tamanhos variáveis. Nele são processadas as moléculas provenientes do retículo endoplasmático, as quais são incorporadas pela célula ou liberadas para o meio externo por exocitose. o Lisossomos: organelas de forma e tamanho variáveis e ricos em enzimas que digerem moléculas incorporadas pela célula ou estruturas da própria célula, no processo de renovação celular. o Vesículas: contêm substâncias que devem ser excretadas para fora da célula. As células têm necessidade de excretar substâncias por vários motivos, nomeadamente a eliminação de resíduos ou a secreção de substâncias produzidas pela célula que desempenham uma função no organismo. o Mitocôndrias: organelas geralmente cilíndricas envolvidas por duas membranas. A membrana interna possui pregas (cristas mitocondriais) voltadas para a parte interna da organela denominada matriz mitocondrial. A principal função da mitocôndria é produzir energia para a célula. Citoesqueleto: o citoesqueleto é formado por um conjunto de filamentos e é responsável pelo estabelecimento, modificação e manutenção do formato da células, contração e formação de pseudópodes. Seus principais componentes são: o microfilamentos: filamentos muito finos formados por uma proteína chamada actina, sendo responsáveis pela motilidade celular. o microtúbulos: estruturas tubulares rígidas, participando do deslocamento das organelas pelo citoplasma e do movimento celular. o centríolos: estruturas cilíndricas cujas paredes são formadas por microtúbulos. Durante a divisão celular, migram para os polos das células e formam os fusos mitóticos. 7 Membrana Plasmática: é a camada que separa a célula do meio extracelular. É formada por uma bicamada lipídica contínua, com proteínas intercaladas ou aderidas à superfície (composição lipoproteica). O folheto externo da bicamada lipídica possui uma grande quantidade de glicolipídeos, formando o glicocálice. A membrana plasmática controla de maneira seletiva a passagem de solutos, promove a entrada (endocitose) e saída (exocitose) de macromoléculas, além de possuir diversas especializações que auxiliam na absorção de substâncias, movimentação e reconhecimento celular. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 1.3 Compostos orgânicos e inorgânicos Nas células encontramos dois tipos de compostos, os inorgânicos (água e sais minerais) e os compostos orgânicos, que contêm carbono em sua composição, sendo os mais comuns os ácidos nucleicos, os carboidratos, os lipídios e proteínas. 1.3.1 Compostos inorgânicos Água: nesta molécula, o átomo de oxigênio é o mais eletronegativo, atraindo para si os elétrons que compartilha com os hidrogênios. Como a molécula é angular, gera um dipolo, ou seja, regiões com carga parcialmente negativa e outras com carga parcialmente positiva. As substâncias hidrofílicas, como os carboidratos, os ácidosnucleicos e as proteínas, têm alto teor de grupamentos polares, sendo solúveis em água; as substâncias hidrofóbicas, como os lipídios, apresentam poucos ou ausência de grupamentos polares, sendo insolúveis em água. • Funções da água: eliminação de substâncias da célula, absorção de calor, manutenção da temperatura corporal. Sais minerais: são vários e desempenham diversas funções celulares. Entre eles, podemos destacar • cálcio (Ca2+): importante na composição dos ossos e dentes e no mecanismo de contração muscular; • ferro (Fe+2): faz parte da composição da hemoglobina, uma proteína presente nas hemácias e responsável pelo transporte dos gases respiratórios; 8 • sódio (Na+): potássio (K+) e cloro (Cl-): importantes na manutenção da pressão osmótica e do equilíbrio acidobásico da célula. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 1.3.2 Compostos orgânicos Ácidos nucleicos: existem dois tipos básicos de ácidos nucleicos: ácido desoxirribonucleico (DNA) e ácido ribonucleico (RNA), constituídos pela polimerização dos nucleotídeos, formando polinucleotídeos. Os nucleotídeos são formados por uma base nitrogenada, uma pentose (açúcar) e o ácido fosfórico. • Bases Nitrogenadas: existem as púricas (adenina e guanina), presentes tanto no RNA como no DNA, e as pirimídicas, denominadas citosina, timina (exclusiva do DNA) e uracila (exclusiva do RNA). • Açúcares: contêm cinco átomos de carbono e estão incluídas no grupo das pentoses: riboses, presente no RNA, e a desoxirribose, presente no DNA. DNA é uma molécula polinucleotídica formada por dois cordões de nucleotídeos com estrutura helicoidal (dupla hélice), onde as bases são unidas por pontes de hidrogênio estabilidade da hélice. Trata-se de uma molécula informacional, que controla diversos processos como o metabolismo celular e síntese de macromoléculas; a diferenciação celular e a transmissão do patrimônio genético de uma célula para outro. RNA é um cordão de nucleotídeos gerado a partir de um dos cordões do DNA através do processo chamado de transcrição; também é um polímero de nucleotídeos, assim como o DNA, responsável pela síntese de proteínas da célula. Porém, geralmente é encontrado em cadeia simples, possui a ribose como pentose, a uracila no lugar da timina e uma dimensão muito inferior ao DNA. Existem 3 tipos de RNA: • RNA mensageiros (mRNAs): lidos pelos ribossomos ⇛ informação genética para a síntese de proteínas. • RNA ribossomais (rRNA): junto com mais de três dezenas de proteínas formam os ribossomos. • RNA transportadores (tRNAs): são "carregados" com aminoácidos de forma precisa pela enzima aminoacil-tRNA sintetase. Função: trazer ao ribossomo o aminoácido requerido pelo códon (sequência) apresentado pelo mRNA na cavidade A da subunidade maior do ribossomo. 9 Carboidratos: formados por carbono, hidrogênio e oxigênio; são classificados de acordo com o tamanho e complexidade em monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. • Funções: fonte de energia e integrante da estrutura da célula. • Exemplos: glicogênio (animais), amido (vegetais), lactose (açúcar do leite), celulose (parede celular vegetais). Lipídios: compostos insolúveis na água e solúveis nos solventes orgânicos; existem vários tipos de substâncias com essas propriedades. • Funções: presentes nas membranas celulares (estrutural) como reserva nutritiva/energética para a célula. • Exemplos: triglicerídeos, colesterol, glicolipídios (associados a carboidratos). Proteínas: formadas por um número variável de aminoácidos, unidos por ligação peptídica, formando cadeias polipeptídicas. Os aminoácidos são ácidos orgânicos no qual o carbono ligado ao grupamento carboxila (COOH) também está ligado ao grupamento amino (NH2). Existem 20 aminoácidos diferentes que podem fazer parte das proteínas. As variações na sequência e no número de aminoácidos formam milhares de proteínas diferentes. • As proteínas podem ser classificadas basicamente em dois tipos: a) Proteínas simples: formadas exclusivamente por aminoácidos. b) Proteínas conjugadas: presença de uma parte não proteica em suas moléculas, chamada grupo prostético. Como exemplo temos as glicoproteínas (polissacarídeos na molécula); lipoproteínas (lipídios na molécula); fosfoproteínas (fosfato na molécula); nucleoproteínas (ácidos nucleicos na molécula). • Funções: atuam como enzimas; participam da estrutura dos componentes celulares, da composição de alguns hormônios e dos movimentos celulares, como a contração muscular. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 10 Conclusão do bloco 1 As células eucariontes são divididas em compartimentos funcionais graças à presença de membranas que formam compartimentos (organelas) responsáveis por diferentes funções. Além disso, possuem um citoesqueleto responsável pelos movimentos celulares e pela forma da célula. Os componentes químicos existentes nas células contribuem para a sua estrutura e funcionamento e são divididos em inorgânicos (água e sais minerais) e orgânicos (ácidos nucleicos, carboidratos, lipídios e proteínas). A biologia da célula é inseparável da biologia das moléculas; do mesmo modo que as células são blocos com os quais se formam os tecidos e os organismos, as moléculas são os blocos com os quais se constroem as células. Referências do bloco 1 DE ROBERTIS, E. M.; HIB, J. Biologia celular e molecular. 16. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. 363 p. JUNQUEIRA, L. C.; CARNEIRO, J. Biologia celular e molecular. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 364 p. 11 BLOCO 2: NÚCLEO DA CÉLULA Uma das principais características das células eucariontes é a presença de um núcleo, de forma variável, porém bem individualizado e separado do restante da célula por duas membranas. Neste bloco serão apresentadas as principais estruturas do núcleo, bem como as suas funções, salientando a importância de tais estruturas para o funcionamento geral da célula. 12 2.1 Nucleoplasma Também chamado de cariolinfa ou carioplasma, é semelhante a um coloide, sendo constituído por água, sais minerais, proteínas e materiais que participam da síntese de ácidos nucléicos (moléculas de DNA e RNA). Muitas das proteínas presentes no nucleoplasma são enzimas envolvidas com a transcrição e com a duplicação do DNA e são chamadas de RNA polimerases, DNA polimerases, topoisomerases e helicases, entre outras. No nucleoplasma estão mergulhados o nucléolo e a cromatina. O nucléolo é uma estrutura esférica não envolvida por membrana, presente em todas as células eucariontes. A sua forma e organização estrutural variam bastante entre os diferentes tipos celulares e dependem de sua atividade funcional. Células que apresentam alta produção de ribossomos possuem nucléolos grandes e complexos. Nucléolos pequenos, em forma de anel, são encontrados em células que produzem poucos ribossomos, como os linfócitos e os monócitos do sangue. A composição química dos nucléolos é formada principalmente por proteínas e RNA ribossômicos (rRNA). Apresentam também pequena quantidade de DNA, correspondente à cromatina que contém os genes codificadores dos rRNA, denominado DNA ribossômico (rDNA). A cromatina é uma estrutura formada por DNA associado a dois grupos de proteínas: histonas e não histonas. A disposição da cromatina no interior do núcleo e o seu grau de condensação variam de um tipo celular para outro. De acordo com o grau de condensação, a cromatina é classificada em eucromatina ou heterocromatina. A eucromatina é a cromatina menos condensada e mais homogênea, que dispõe de DNA transcricionalmente ativo, ou seja, o DNA que origina as moléculas de RNA. A heterocromatina é a cromatina mais condensada e de 13 coloração mais intensa. É formada basicamente por DNA inativo do pontode vista transcricional e classificada em dois tipos: heterocromatina constitutiva e heterocromatina facultativa. A heterocromatina constitutiva é altamente condensada e encontrada de maneira constante em todos os tipos de células, sendo um componente estável do genoma. A heterocromatina facultativa é encontrada em sítios que variam nos diferentes tipos de células ou nas sucessivas diferenciações de uma célula, de modo que setores que aparecem como heterocromatina em um tipo de célula ou em uma etapa de sua diferenciação, em outros tipos de células e em outras etapas aparecem como eucromatina. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012; LEWONTIN et al., 2013). 2.2 Material Genético dos Organismos O DNA bacteriano está localizado no nucleoide; é uma molécula circular, não ligada a proteínas e unida à membrana plasmática; contém informação genética suficiente para codificar de 2.000 a 3.000 proteínas diferentes. O DNA dos eucariontes constitui numa molécula polinucleotídica formada por dois cordões de nucleotídeos com estrutura helicoidal (dupla hélice), unidas por pontes de hidrogênio. Cada nucleotídeo é formado por uma base nitrogenada, um fosfato e um açúcar (desoxirribose). O DNA é uma estrutura complexa com uma família de proteínas básicas denominadas histonas, e com um grupo heterogêneo de proteínas ácidas não histônicas, que estão bem menos caracterizadas. O nucleossomo é formado por duas cópias de cada uma das quatro histonas: H2A, H2B, H3 e H4, em torno do qual um segmento de DNA se enrola duas vezes (140 pares de bases de DNA), separados por 20 - 60 pares de bases. O nucleossomo é a unidade estrutural básica da cromatina. O solenoide é formado pela compactação dos nucleossomos sem estruturas de cromatina secundárias helicoidais com cerca de 30nm diâmetro. Um solenoide é composto por seis nucleossomos. Através da formação de alças cromatínicas, a enorme quantidade de DNA existente no núcleo das células eucariontes é compactada, podendo se alojar dentro do pequeno volume celular. Os cromossomos são constituídos por duas regiões longitudinais idênticas chamadas cromátides, que são unidas pelo centrômero. http://www.virtual.epm.br/cursos/genetica/htm/histonas.htm http://www.virtual.epm.br/cursos/genetica/htm/histonas.htm 14 O centrômero, também chamado de constrição primária, divide os cromossomos em cromátides e, de acordo com a posição do centrômero, os cromossomos podem ser metacêntricos (braços do mesmo tamanho), submetacêntricos (braços de tamanhos diferentes) ou acrocêntricos (braços curtos das cromátides muito pequenos). As células humanas possuem 46 cromossomos, portanto, 46 moléculas de DNA, divididos em 22 pares chamados autossomos e um par de cromossomos sexuais, que diferem de acordo com o sexo. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012; LEWONTIN et al., 2013). 2.3 Envoltório Nuclear Também chamada de carioteca, é a estrutura que envolve o núcleo das células eucariontes, sendo responsável pela manutenção do núcleo como um compartimento distinto e permitindo que a célula controle o acesso ao seu material genético. O seu formato geralmente acompanha o formato da célula. É formada por duas unidades de membrana de composição lipoprotéica, sendo 30% de lipídios e 70% de proteínas. A membrana externa contém ribossomos aderidos à sua superfície voltada para o citoplasma e apresenta continuidade com o retículo endoplasmático rugoso. A cavidade interna existente entre a membrana externa e interna da carioteca recebe o nome de espaço perinuclear. A lamina nuclear consiste em fibras proteicas associadas à membrana interna do núcleo, onde os cromossomos se ligam. Essa ligação é específica para cada cromossomo, indicando que sua localização no núcleo não é ao acaso. Em alguns pontos do envoltório nuclear, há a fusão das membranas internas e externas, formando o complexo do poro, composto por proteínas denominadas nucleoporinas. Neste 15 complexo, há o anel nuclear, componente do complexo do poro ligado à superfície nuclear, e o anel citoplasmático, ligado à superfície citoplasmática. A função do complexo do poro é o transporte seletivo de íons e moléculas para dentro ou para fora do núcleo. Dependendo do tipo de molécula, esse transporte pode ser passivo (sem gasto de energia) ou ativo (com gasto de energia). (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012; LEWONTIN et al., 2013). 16 Conclusão do bloco 2 A existência do núcleo é a principal característica que distingue a célula eucarionte da célula procarionte. A maior parte da informação genética está contida no DNA do núcleo. Além disso, o núcleo controla o metabolismo celular e o seu formato acompanha o formato da célula. O seu tamanho pode varia de acordo com o seu metabolismo e com o conteúdo de DNA da célula. O núcleo é composto pelo envoltório nuclear, cromatina, nucléolo e nucleoplasma. Referências do bloco 2 DE ROBERTIS, E. M.; HIB, J. Biologia celular e molecular. 16. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. 363 p. JUNQUEIRA, L. C; CARNEIRO, J. Biologia celular e molecular. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 364 p. LEWONTIN, R.; CARROLL, S. B.; WESSLER, S. R; GRIFFITHS, A. J. F. Introdução à genética. 10. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2013. 17 BLOCO 3: PROCESSOS DE SÍNTESE E DEGRADAÇÃO DE MOLÉCULAS As organelas são constituídas por moléculas complexas que estão em constante renovação. A célula captura nutrientes do meio externo, degrada-os e utiliza os produtos dessa degradação na síntese de novas moléculas necessárias às suas atividades e também para a manutenção da estrutura celular. Para tanto, existem mecanismos de síntese contínua de novas moléculas, bem como de degradação e eliminação de moléculas que não serão mais utilizadas pelas células. As organelas envolvidas com esses processos são o retículo endoplasmático, os ribossomos, o complexo de Golgi, os lisossomos e os peroxissomos (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 18 3.1 Retículo endoplasmático O Retículo Endoplasmático (RE) é uma organela constituída por uma rede de membranas que delimitam cavidades de diferentes formatos denominadas cisterna, lúmen ou luz. O retículo se estende do envoltório nuclear e percorre grande parte do citoplasma, fazendo parte do sistema de endomembranas (membranas internas) da célula. A composição química da membrana do retículo é lipoproteica, sendo 30% de lipídios (fosfolipídios, glicolipídios e colesterol) e 70% de proteínas (glicoproteínas e enzimas). O retículo tem duas regiões que recebem nomes diferentes em função de suas características: a) RE liso (agranular): região do retículo endoplasmático que não contém ribossomos aderidos em sua estrutura. b) RE rugoso (granular): área do retículo endoplasmático que contém ribossomos acoplados à face citoplasmática de suas membranas. As cisternas têm uma composição variável de acordo com o tipo de retículo, o tipo celular e o estado fisiológico da célula, mas geralmente são formadas por uma solução aquosa com diversos tipos de proteínas. O RE liso realiza diversas funções para a célula, como a síntese e exportação de lipídios que compõem as membranas celulares; a desintoxicação do organismo, transformando substâncias tóxicas em substâncias inócuas ou de fácil excreção; a metabolização do glicogênio, ou seja, a obtenção de glicose a partir do glicogênio – processo denominado glicogenólise – realizada pelas células do fígado; e a captação, armazenamento e liberação de Ca conforme a necessidade da célula. O RE rugoso faz a síntese e segregação das proteínas que irão compor outras organelas, como o complexo de Golgi, os lisossomos, a membrana plasmática ou que, eventualmente, serão secretadas. Além disso, no seu interior, as proteínas adquirema sua configuração tridimensional (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 19 3.2 Ribossomos Os ribossomos são estruturas ribonucleoproteicas complexas situadas no citosol ou associadas à membrana do retículo endoplasmático. Originam-se no nucléolo, componente nuclear implicado na síntese do ácido ribonucleico ribossômico (RNAr), principal constituinte dos ribossomos. Os ribossomos são partículas densas aos elétrons, constituídas de RNAr e proteínas, com diâmetro de 20nm. Cada ribossomo é formado por duas subunidades de tamanhos diferentes, que se associam somente quando se ligam aos filamentos do RNA mensageiro (mRNA). A subunidade maior é identificada com a sigla 60S (S é a unidade de sedimentação), sendo composta por 3 tipos diferentes de RNAr e 50 proteínas diferentes. O seu formato é irregular. A subunidade menor é identificada com a sigla 40S, sendo composta por um único tipo de RNA ribossômico e 33 proteínas diferentes. O seu formato também é irregular. Os ribossomos livres são encontrados no citoplasma, em um único ribossomo ou em grupos conhecidos como polirribossomos ou polissomos. Ocorrem em maior número que os ribossomos associados ao retículo em células que retêm a maioria das proteínas fabricadas, ou seja, proteínas destinadas ao citosol, ao núcleo, às mitocôndrias e aos peroxissomos. Os ribossomos associados ao retículo são encontrados aderidos à membrana exterior do retículo endoplasmático (RE), constituindo o RE rugoso. Ocorre em maior número que os ribossomos livres em células que secretam suas proteínas (ex.: células pancreáticas produtoras de enzimas digestivas). Também são responsáveis pelas proteínas que formam membranas ou são empacotadas e estocadas em vesículas no citoplasma ou são exportadas para o exterior da célula. Nos ribossomos ocorre a síntese proteica através das informações trazidas do núcleo pelo RNA mensageiro (mRNA), sintetizado pelo DNA. Tal processo é chamado de tradução. A partir dessas informações, o RNA transportador (tRNA) capta o aminoácido correspondente e o transporta até o ribossomo. Esses aminoácidos se unem através de ligações peptídicas, formando cadeias polipeptídicas que constituem as proteínas. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 20 3.3 Complexo de Golgi O complexo de Golgi é constituído por um conjunto de estruturas semelhantes a sacos membranosos, achatados e empilhados, chamados de cisternas do Golgi. As cisternas apresentam uma face cis, que é a face convexa, voltada para o núcleo da célula (face proximal), e uma face trans, que é côncava, voltada para a membrana plasmática (face distal). Entre elas, encontramos as cisternas médias, que estão localizadas entre as duas faces e são independentes, ou seja, não estão ligadas entre si. O complexo de Golgi é formado por unidades chamadas de dictiossomos, constituídas por cada pilha de cisternas com suas vesículas associadas. A composição química das membranas do complexo de Golgi é basicamente lipoproteica, sendo 40% de lipídios e 60% de proteínas, porém, com espessura variável. Entre as principais funções do Golgi está o processamento de proteínas. Durante esse processo, as proteínas sintetizadas no RE rugoso são enviadas para o Golgi, onde passam por alterações pós-traducionais, como a glicosilação (acréscimo de açúcar às proteínas e lipídios, formando glicoproteínas e glicolipídios; processo realizado pelas enzimas glicosiltransferases), a sulfatação (incorporação de sulfato a proteínas, lipídios) e a fosforilação (incorporação de fosfato às proteínas, formando fosfoproteínas, pela ação da enzima fosfotransferase), que modificam as características funcionais das moléculas proteicas, contribuindo para a variedade de proteínas existentes, a destinação e exportação de macromoléculas, processo em que as proteínas, lipídios e polissacarídeos são transportados do Golgi para seus destinos finais pelas vesículas de secreção através da via secretora. Nesta via, há o empacotamento de macromoléculas em diferentes tipos de vesículas que brotam da rede trans do Golgi e liberam seus conteúdos para o meio externo ou para os mais diferentes compartimentos celulares. Nas células vegetais, o complexo de Golgi sintetiza glicoproteínas e outros componentes glicídicos da parede celular. Algumas vesículas que brotam da face trans do complexo de Golgi são compostas por enzimas e originam uma organela chamada lisossomo (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 21 3.4 Lisossomos e peroxissomos Lisossomos Os lisossomos são organelas com formatos e dimensões variáveis, geralmente esféricos, que ocupam 5% do volume das células. Estão presentes em todas as células animais (exceto, hemácias). Nas células vegetais, os vacúolos desempenham as funções dessa organela. No seu interior encontramos enzimas hidrolíticas. A exemplo de outras organelas, a membrana do lisossomo é lipoprotéica. Os principais lipídios presentes são os fosfolipídios, os glicolipídios e o colesterol. Já as proteínas geralmente estão associadas aos carboidratos formando as glicoproteínas. Também encontramos um complexo multienzimático associado à membrana lisossômica. A membrana do lisossomo é protegida contra o efeito destrutivo das enzimas hidrolíticas, pois a sua face interna (luminal) contém uma grande quantidade de glicoproteínas que evitam a digestão da própria membrana por estas enzimas. Existem cerca de 50 enzimas hidrolíticas no interior dos lisossomos capazes de digerir quase todas as macromoléculas biológicas como proteínas, lipídios, ácidos nucléicos e oligossacarídeos. O elenco de enzimas é variável de acordo com o tipo celular e depende da especialização funcional de cada célula. Algumas proteínas da membrana lisossômica atuam como transportadoras, principalmente de carboidratos, aminoácidos e nucleotídeos, carregando essas substâncias para o interior do lisossomo. Os lisossomos são classificados em primários e secundários, de acordo com o estágio em que se encontram. Uma das funções do lisossomo é digerir as partículas fagocitadas pela célula. A fagocitose é a internalização de substâncias ou partículas sólidas pela célula, formando um fagossomo (projeções da membrana envolvendo o alvo) que ativa as vias intracelulares de sinalização, levando à fusão do lisossomo primário com o fagossomo e, consequentemente, formando o lisossomo secundário (vacúolo digestivo). Após a digestão pelas enzimas lisossômicas, o material não digerido forma um vacúolo residual, que lançará este conteúdo para fora da célula (exocitose de resíduos ou clasmocitose). Os lisossomos também realizam a autofagia, que é a degradação de componentes citoplasmáticos como organelas envelhecidas ou estruturas a serem degradadas durante os processos de diferenciação e de desenvolvimento embrionário, originando um vacúolo autofágico, também chamado de autofagossomo. O material residual 22 formado nesse processo também será eliminado da célula por clasmocitose (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). Peroxissomos Os peroxissomos são organelas encontradas em todas as células eucarióticas contendo enzimas especializadas no processamento das reações oxidativas utilizando oxigênio molecular. O seu formato é oval e são mais comuns em células dos rins, fígado e em células vegetais. São as menores organelas da célula, sendo também chamadas de microcorpos. Esta organela é envolvida por uma membrana de camada bilipídica e a sua matriz é granular. Na matriz encontramos um cristaloide elétron-denso, constituído de uma enzima denominada catalase. Na porção externa da membrana encontramos proteínas transportadoras, que auxiliam no transporte de moléculas. Na matriz dos peroxissomos existem cerca de 50 enzimas oxidativas que participam de diversos processos metabólicos.As mais comuns são a catalase, a D-aminoácido oxidase, a urato-oxidase e aquelas responsáveis pela β-oxidação de ácidos graxos. Nos peroxissomos produz-se peróxido de hidrogênio (água oxigenada) - H2O2 – que é uma substância tóxica para a célula. A catalase, presente nos peroxissomos, converte esta substância em água + oxigênio, neutralizando a sua toxicidade. Várias funções importantes são realizadas pelas enzimas dos peroxissomos, como a metabolização do ácido úrico pela urato oxidase; a degradação dos componentes da parede de bactérias que penetram no organismo pela D-aminoácido-oxidase; a síntese de colesterol e de sais biliares e a degradação de ácidos graxos. Outro papel importante desta organela é a desintoxicação, pois aproximadamente 50% do etanol consumido por uma pessoa é destruído por oxidação que ocorre nos peroxissomos dos rins e do fígado. Os peroxissomos são estruturalmente semelhantes aos lisossomos. Contudo, existem diferenças em dois aspectos importantes. Uma diz respeito à origem dos peroxissomos, que ocorre por auto – replicação (ou talvez por brotamento do REL) e não pelo C. Golgi, como é o caso dos lisossomos. Uma outra diferença significativa está relacionada com o conteúdo enzimático, pois os peroxissomos contêm oxidases e não hidrolases, além de grandes quantidades da catalase (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 23 Conclusão do bloco 3 O retículo endoplasmático faz parte de um complexo sistema de endomembranas delimitando compartimentos presente em todas as células eucariontes. É dividido em dois tipos que diferem morfológica e funcionalmente: Retículo Endoplasmático Liso (REL) e Retículo Endoplasmático Rugoso (RER). O REL sintetiza e exporta lipídios, participa da desintoxicação, da metabolização do glicogênio e do armazenamento de cálcio, enquanto o RER participa da síntese de proteínas. Os ribossomos são estruturas que podem estar livres no citoplasma (polirribossomos) ou associados ao retículo endoplasmático rugoso e estão diretamente envolvidos com a síntese de proteínas. As proteínas são fundamentais para o organismo, participando de diversos processos como a digestão, a contração muscular, e na composição de diversas partes das células do organismo, entre outros. O complexo de Golgi faz parte do sistema de endomembranas da célula e realiza diversas funções relacionadas com a síntese de macromoléculas ou modificações de proteínas formadas no retículo endoplasmático rugoso, tornando essas substâncias ativas. A síntese e a secreção de proteínas e lipídios envolvem a cooperação entre o retículo endoplasmático e o complexo de Golgi. Os lisossomos recebem substâncias extracelulares por endocitose e material intracelular via biossintética e por autofagia. Devido às suas funções na degradação de diferentes materiais internalizados e intracelulares, são organelas fundamentais para o equilíbrio (homeostasia) da célula. Os peroxissomos possuem enzimas oxidativas que, entre outras funções, protege a célula através da degradação de substâncias prejudiciais ao organismo. Referências do bloco 3 DE ROBERTIS, E. M.; HIB, J. Biologia celular e molecular. 16. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. 363 p. JUNQUEIRA, L. C; CARNEIRO, J. Biologia celular e molecular. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 364 p. 24 BLOCO 4: MITOCÔNDRIA A energia utilizada pelas células eucariontes para realizar suas atividades provém da ruptura gradual de ligações covalentes de moléculas de compostos orgânicos ricos em energia. As células, porém, não utilizam diretamente a energia liberada dos hidratos de carbono (açúcares) e das gorduras, mas utilizam um produto intermediário, a adenosina trifosfato (ATP), geralmente produzido graças à energia contida nas moléculas de glicose e ácidos graxos (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012, p. 69). 25 4.1 Estrutura da mitocôndria As mitocôndrias (do grego mito: filamento e chondrion: grânulo) estão presentes no citoplasma das células eucarióticas, sendo caracterizadas por uma série de propriedades morfológicas, bioquímicas e funcionais. São organelas cilíndricas, rígidas e alongadas que se movem pelo citosol, frequentemente associadas a microtúbulos, formando cadeias móveis ou permanecendo fixas em uma posição. Quanto maior a atividade metabólica da célula, maior será a quantidade de mitocôndrias em seu interior. Uma célula hepática normal, por exemplo, pode conter de 1.000 a 1.600 mitocôndrias, enquanto alguns ovócitos podem conter até 300.000 mitocôndrias. A membrana externa da mitocôndria é lisa e formada por vários tipos de proteínas, como as porinas (proteínas formadoras de canais), que são permeáveis às moléculas pequenas. Também existem enzimas envolvidas na síntese de lipídeos mitocondriais e aquelas que convertem substratos lipídicos em formas que possam ser metabolizados na matriz mitocondrial, além do colesterol. O espaço intermembrana contém várias enzimas que utilizam o ATP proveniente da matriz para fosforilar (adicionar fosfato) a outros nucleotídeos. A membrana interna é rica em cardiolipina, um fosfolipídio que impede a passagem de qualquer partícula com carga elétrica através da membrana mitocondrial interna. Nessa estrutura encontramos ainda proteínas com três tipos de funções: aquelas que conduzem as reações de oxidação da cadeia respiratória; um complexo enzimático chamado ATPsintetase, que produz ATP na matriz, localizado nos corpúsculos elementares; e proteínas que fazem parte dos múltiplos sistemas de transporte ativo. Uma característica dessa membrana é a formação de numerosas cristas em direção à matriz, aumentando a sua área de superfície. O número e o formato de cristas são variáveis nos diferentes tipos celulares. Também existem diversos canais iônicos e permeases na membrana que possibilitam a passagem seletiva de íons e moléculas do espaço intermembranoso à matriz mitocondrial e vice-versa. Na superfície da membrana interna voltada para a matriz existem partículas em forma de raqueta que se inserem pelos seus cabos na membrana e que são denominados corpúsculos elementares, com uma porção transmembranosa (F0) e outra voltada para a matriz mitocondrial (F1). A matriz mitocondrial está localizada no interior da mitocôndria e contém uma mistura altamente concentrada de centenas de enzimas, incluindo aquelas necessárias para a descarboxilação do piruvato, para a oxidação dos ácidos graxos e para a realização do ciclo de 26 Krebs, além de grânulos eletro-densos contendo cálcio. Nessa região são encontrados ribossomos que contêm dois tipos de RNA ribossômico (rRNA), treze tipos de RNA mensageiro (mRNA) e vinte e dois tipos de RNA transportador (tRNA) que participam da síntese proteica que ocorre no interior da mitocôndria. Na matriz mitocondrial encontramos várias cópias de DNA circular, sob a forma de anéis de cadeia dupla, contendo um número relativamente escasso de genes (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 4.2 DNA mitocondrial As mitocôndrias apresentam um genoma próprio, embora incompleto, com 16.569 nucleotídeos, formando 2 genes para rRNA, 22 para tRNA e 13 genes que codificam mRNA para a síntese de proteínas, totalizando 37 genes. O DNA mitocondrial se replica independentemente do DNA nuclear e especifica a sequência de aminoácidos de algumas, mas não de todas, as proteínas mitocondriais, além de codificar os três tipos de RNA. O DNA mitocondrial apresenta algumas particularidades que o diferencia do DNA nuclear: a) é circular e não apresenta proteínas histonas associadas à sua estrutura; b) tem somente uma origem de replicação, ou seja, uma das cadeias-filhas começa a ser sintetizada antes que a outra e ocorre a partir de um ponto diferente do usado para a segunda; c) tem somente 37 genes, representando apenas 1% do DNA nucelar;d) tem poucas e pequenas sequências não gênicas (que não são transcritas); e) produz 22 tipos de tRNA em vez dos 31 transcritos do DNA nuclear; f) em seu código genético, existem 4 códons que diferem dos seus pares no DNA nuclear (AGA, AGG, AUA e UGA); g) suas duas cadeias são transcritas; h) as moléculas de RNA que o DNA transcreve são processadas enquanto são sintetizadas; o processamento envolve a remoção de partes do RNA; i)existem várias cópias do DNA mitocondrial e não somente duas como no DNA nuclear. A origem deste DNA é exclusivamente materna, pois as mitocôndrias dos organismos se originam do óvulo, sem a participação das mitocôndrias do gameta masculino. As mitocôndrias do óvulo fecundado e das células dele originadas são derivadas da multiplicação das mitocôndrias do óvulo e, portanto, maternas. O funcionamento da mitocôndria depende da interação entre o DNA mitocondrial e o DNA nuclear, que sintetiza proteínas com diversas funções na mitocôndria. O DNA mitocondrial não possui mecanismos de reparo do DNA acidentalmente alterado e por isso o número de mutações que ele sofre é pelo menos 10 vezes maior do que no DNA nuclear. Por este motivo, a presença de múltiplas cópias de DNA no genoma mitocondrial representa 27 uma vantagem, porque a mutação numa cópia pode não gerar sintomas, em razão da atividade de cópias normais. As alterações no DNA mitocondrial podem provocar algumas doenças, que recebem, genericamente, o nome de herança mitocondrial ou herança materna. Se as mitocôndrias não estão funcionando normalmente, qualquer órgão pode ser afetado, pois todos precisam de energia para o crescimento, funcionamento e manutenção. Os sistemas de órgãos que são mais susceptíveis de serem afetados são normalmente aqueles que necessitam de uma grande quantidade de energia para funcionar, como o cérebro, coração e músculos esqueléticos (DLE, 2018). Uma das doenças de origem mitocondrial é a miopatia mitocondrial. Os seus sintomas são fraqueza muscular, cansaço e intolerância ao exercício. Em alguns indivíduos, a fraqueza é mais proeminente em músculos que controlam os movimentos dos olhos e das pálpebras. Duas consequências comuns são a paralisia gradual dos movimentos oculares, chamada de oftalmoplegia externa progressiva (PEO), e a queda das pálpebras superiores, chamada ptose (10). Outra patologia de origem mitocondrial é a Síndrome de Kearns Sayre. Entre os seus sintomas, ocorre uma progressiva redução dos movimentos oculares, perda da coordenação motora, bloqueio cardíaco e fraqueza muscular. Podem surgir diabetes mellitus, surdez e neurodegeneração. A doença mitocondrial não tem cura, pois trata-se de uma alteração genética onde a células dos locais afetados não conseguem sobreviver, pois as mitocôndrias, responsáveis pelo suporte energético e sobrevivência das células, não funcionam corretamente, provocando o mal funcionamento dos órgãos afetados (FRAZÃO, 2018). O objetivo do tratamento é aliviar os sintomas e prevenir possíveis complicações (terapia sintomática). Dependendo de qual síndrome o paciente sofre e quais reclamações estão em primeiro plano, o médico ajusta o tratamento (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 4.3 Produção e armazenamento de energia As mitocôndrias são consideradas as usinas de produção de energia (“casa de força da célula”), pois utilizam nutrientes e oxigênio para produzir energia química chamada ATP. Aproximadamente 90% de toda a energia do corpo são produzidas pelas mitocôndrias. A energia utilizada pelas células eucariontes para realizar suas atividades provém da ruptura gradual de ligações covalentes de moléculas de compostos orgânicos ricos em energia que geralmente é transferida para a adenosina-trifosfato (ATP), o principal combustível celular e que contêm ligações ricas em energia. As substancias nutritivas penetram nas mitocôndrias, onde reagem 28 com o gás oxigênio, em um processo comparável à queima de um combustível. Essa reação recebe o nome de respiração celular (DLE, 2018). A partir daí é produzida energia em forma de ATP (adenosina trifosfato). As moléculas energéticas mais utilizadas pelas células são os ácidos graxos e a glicose. A glicose é degradada por um processo chamado glicólise, através da participação de 11 enzimas do citosol, sem a participação do oxigênio, produzindo 2 moléculas de ATP e 2 moléculas de piruvato, que também são energéticas. Portanto, podemos definir a glicólise como a sequência de reações que converte glicose em piruvato, havendo a produção de energia na forma de ATP. As moléculas de piruvato e de ADP passam para a matriz mitocondrial, onde também chega o oxigênio da respiração e se forma a acetilcoenzima A, que entra no ciclo de Krebs. Este e o sistema transportador de elétrons (7) produzem mais 36 moléculas de ATP. O sistema transportador de elétrons é uma cadeia formada por enzimas e compostos não enzimáticos cuja função é transportar elétrons, como os citocromos, compostos orgânicos ricos em ferro. Ao longo desta cadeia são transportados elétrons de alta energia, que gradualmente cedem essa energia, que é veiculada para três lugares determinados da cadeia em que ocorre a síntese de ATP (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012, p. 70). O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico) é uma sequência cíclica de reações enzimáticas no qual ocorre a produção gradual de elétrons e prótons. A principal função é produzir elétrons com alta energia e prótons, gerando CO2. Seu rendimento energético é baixo. Além disso, o ciclo de Krebs também fornece metabólitos para a síntese de aminoácidos e hidratos de carbono. A energia liberada na cadeia transportadora de elétrons é utilizada para o transporte de prótons da matriz para o espaço intermembranoso, onde se acumulam. Esses prótons fluem de volta para a matriz, através dos corpúsculos elementares, fluxo este cuja energia é convertida, no corpúsculo elementar, em energia química acessível, graças à síntese do ATP a partir do ADP (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012, p. 80). Na fosforilação oxidativa, o piruvato é oxidado até se formar água e gás carbônico, com alto rendimento energético. A energia produzida pela mitocôndria é utilizada por todas as células do organismo para a realização de muitas funções como a divisão celular, a contração muscular, a biossíntese de materiais celulares, o transporte ativo de substâncias, a transmissão de sinais e o englobamento de partículas, entre outras. Além da produção de energia, as mitocôndrias também realizam outras funções, como a remoção de cálcio do citosol, a síntese de aminoácidos a partir de moléculas intermediárias do ciclo de Krebs e a síntese de esteroides como o cortisol e a corticosterona. 29 Acredita-se que as primeiras células eucariontes eram anaeróbicas e que, quando a atmosfera terrestre ficou rica em oxigênio, incorporaram em seus citoplasmas bactérias aeróbicas que, após sucessivas alterações adaptativas, converteram-se nas atuais mitocôndrias. A existência de DNA, vários tipos de RNA e de um mecanismo de reprodução das mitocôndrias semelhante ao das bactérias reforçam esta teoria (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 30 Conclusão do bloco 4 As mitocôndrias são organelas arredondadas ou alongadas, localizadas geralmente próximo às regiões do citoplasma, que necessitam de energia. O número de mitocôndrias por célula bem como a quantidade de cristas mitocondriais em cada mitocôndria é diretamente proporcional às necessidades energéticas da célula. A mitocôndria contém um genoma constituído por DNA circular e RNAs que codificam algumas proteínas; o genoma mitocondrial é muito compacto e o código genético ligeiramente diferente do código genético do núcleo da célula. Devido à elevada taxa de mutação, algumas doenças genéticas são de origem mitocondrial. Nas células a energiautilizada para as mais diversas funções é obtida a partir da ruptura das ligações dos nutrientes. Os nutrientes são degradados na matriz citoplasmática, sem oxigênio (glicólise anaeróbica), e depois são enviados para a mitocôndria, onde ocorre uma série de reações químicas (ciclo de Krebs, fosforilação oxidativa), transferindo a energia para as moléculas de ATP, que contêm ligações ricas em energia. Referências do bloco 4 DE ROBERTIS, E. M.; HIB, J. Biologia celular e molecular. 16. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. 363 p. DLE. Genética Humana e Doenças Raras. Mitocondriopatias. Disponível em: <https://dle.com.br/links-relacionados/mitocondriopatias>. Acesso em: 6 ago. 2018. FRAZÃO, A. Tratamento para doença mitocondrial. Disponível em: <https://www.tuasaude.com/tratamento-para-doenca-mitocondrial/>. Acesso em: 6 ago. 2018. JUNQUEIRA, L. C; CARNEIRO, J. Biologia celular e molecular. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 364 p. 31 BLOCO 5: MEMBRANA PLASMÁTICA A célula é envolta pela membrana plasmática, que é composta por uma bicamada lipídica e por proteínas, que estão intercaladas ou aderidas à sua superfície. Apresenta numerosas especializações e controla de maneira seletiva a passagem de solutos. Além disso, mantém constante o meio intracelular, tem receptores que reconhecem hormônios e outras substâncias e também estabelece conexões com entre as células e com o meio extracelular (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 32 5.1 Composição e organização A célula é envolta pela membrana plasmática (ou celular), uma fina camada de 6 a 10nm de espessura, constituída por lipídios, proteínas e carboidratos. A sua composição é semelhante a de outras membranas da célula que circundam as organelas do sistema de endomembranas, incluindo a carioteca, as mitocôndrias e os peroxissomos (DE ROBERTIS; HIB, 2014, p. 37). As membranas são estruturas que exercem numerosas funções para as células, como a permeabilidade seletiva, impedindo a troca indiscriminada dos componentes extracelulares com os intracelulares; o suporte físico para a atividade ordenada das enzimas que nela se situam; o deslocamento de substâncias pelo citoplasma, mediante a formação de pequenas vesículas transportadoras; a endocitose (englobamento) e exocitose (eliminação) de substâncias; o reconhecimento e adesão entre células do mesmo tipo; e possui receptores, estruturas que interagem especificamente com moléculas provenientes do meio externo, como hormônios, neurotransmissores, fatores de crescimento e outros indutores químicos. Este reconhecimento desencadeia uma resposta que varia conforme a célula e o estímulo recebido (JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012, p. 83). A estrutura da membrana é dinâmica e fluida e as suas moléculas são capazes de mover-se no plano da membrana. Todas as membranas celulares apresentam a mesma organização básica, sendo constituídas por duas camadas lipídicas fluidas e contínuas, onde estão inseridas as moléculas proteicas, formando um mosaico fluido. Os lipídios mais comuns das membranas são os fosfolipídios, os glicolipídios e o colesterol, sendo que este último só existe nas células animais. São moléculas longas e anfipáticas, pois possuem uma extremidade hidrofílica ou polar (solúvel em meio aquoso) e uma extremidade hidrofóbica ou não polar (insolúvel em água), e esta dualidade é importante para a estruturação da membrana. As moléculas individuais de lipídios são capazes de girar em torno de seus eixos e se deslocam livremente pela superfície da membrana, formando uma camada fluída. Além disso, os lipídios conseguem migrar de uma camada para outra (flip-flop), embora seja pouco comum em comparação com o movimento de rotação e deslocamento lateral ao longo da membrana. A membrana plasmática contém uma grande variedade de proteínas características de cada tipo de membrana. Elas desempenham a maioria das funções específicas das membranas e são divididas em dois grandes grupos, as integrais ou intrínsecas e as periféricas ou extrínsecas. As proteínas integrais estão encaixadas nas membranas entre os lipídios e incluem as enzimas, as glicoproteínas, que são responsáveis pelos grupos sanguíneos M-N, receptores e proteínas transportadoras. Algumas atravessam a membrana uma única vez (proteínas transmembrana); 33 outras são mais longas e atravessam a membrana várias vezes (proteínas transmembrana de passagem múltipla). As proteínas periféricas se prendem à superfície interna e/ou externa da membrana, conectadas às cabeças dos fosfolipídios ou às proteínas integrais por ligações não covalentes. Ao contrário das proteínas integrais, podem ser extraídas facilmente da membrana após o tratamento com soluções salinas. Essas proteínas estão mais concentradas na face citoplasmática da membrana. As membranas celulares têm entre 2% e 10% de carboidratos, que estão unidos aos lipídios (glicolipídios) ou a proteínas (glicoproteínas) na superfície externa da membrana. Esta região recebe o nome de glicocálice (ou glicocálix) e é uma extensão da própria membrana e não uma camada separada. É funcionalmente importante e sua composição varia de um tipo celular para outro e, na mesma célula, pode variar de acordo com a região da membrana e conforme a atividade funcional da célula em determinado momento. Entre as funções do glicocálice, podemos destacar: a) proteção contra agressões químicas e mecânicas; b) reconhecimento e adesão celular; c) isolamento elétrico do axônio; d) especificidade do sistema ABO de grupos sanguíneos; e) inibição do crescimento celular por contato; f) união entre as células e à matriz extracelular; g) continuidade entre o interior da célula e o meio onde se encontram (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 5.2 Especializações de membrana As membranas plasmáticas podem apresentar algumas modificações em sua estrutura, com a finalidade de aumentar a superfície celular e a adesão entre as células, promover a vedação ou ainda melhorar a comunicação entre elas. Tais modificações são genericamente conhecidas como Especializações da Membrana Celular. As microvilosidades (microvilos) são expansões do citoplasma recobertas por membrana e com numerosos feixes de microfilamentos de actina, uma proteína responsável pelo formato da microvilosidade. No epitélio intestinal, os microvilos são paralelos uns aos outros e formam uma camada regular denominada borda estriada. A função das microvilosidades é aumentar a área da membrana, facilitando o transporte dos nutrientes da cavidade intestinal para o interior das células. Nos rins, os microvilos também são organizados na forma de borda estriada e retiram do filtrado que formará a urina as moléculas aproveitáveis, devolvendo-as para o sangue. A maioria das células possui microvilos, embora não tão numerosos e organizados como nas células absortivas. São irregulares, pequenos e com menor número de filamentos. 34 Os estereocílios são expansões longas e filiformes da superfície livre de determinadas células epiteliais, semelhantes aos microvilos, porém mais longos e ramificados. São encontrados no epidídimo, canal deferente e células do ouvido interno (órgão de Corti) e tem como função aumentar a superfície da célula, facilitando o transporte de água e outras substâncias. Uma das mais importantes junções celulares é o desmossomo (do grego desmos, ligação, e somatos, corpo), constituído por membranas de duas células adjacentes. Na face citoplasmática estão inseridos filamentos que se aprofundam no interior da célula, ligando o citoesqueleto à membrana celular. As caderinas são proteínas transmembranas dos desmossomos que unem células adjacentes, formando um elo de ligação entre essas células. Os filamentos de actina e de queratina também fazem parte da composição dos desmossomos.São encontrados nas células da epiderme, revestimento da língua e do esôfago e em células do músculo cardíaco, por exemplo (células submetidas a trações). Os hemidesmossomos têm uma composição semelhante aos desmossomos e sua principal função é a de mediar a adesão de células epiteliais com a sua membrana basal, conectando os filamentos intermediários do citoesqueleto com a matriz extracelular. A junção aderente é similar a um desmossomo, no entanto, sua distribuição na membrana difere por dispor-se em cinturão ao redor do corpo da célula, fazendo a união desta com várias células vizinhas. A sua principal função é a ancoragem entre as membranas e a ancoragem do citoesqueleto (composto de microfilamentos de actina). Esta junção é encontrada em diversos tecidos e, no caso das células colunares do epitélio intestinal, promove a adesão entre as células e oferece um apoio para os filamentos que penetram nos microvilos das células epiteliais com borda estriada. A zônula oclusiva mantém as células vizinhas tão encostadas que impede a passagem de moléculas entre elas. Assim, substâncias eventualmente presentes em uma cavidade revestida por tecido epitelial não podem penetrar no corpo, a não ser atravessando diretamente as células. É formada por proteínas integrais chamadas de claudinas e integrinas. As suas principais funções são a obstrução do espaço extracelular, impedindo o trânsito de substâncias por entre as células em união, e impedir a dispersão ou migração dos elementos que integram as membranas plasmáticas e que não conseguem fluir (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 35 O complexo juncional está presente em células epiteliais e é constituído por uma zona de oclusão, que veda o transporte de substâncias, uma zona de adesão, semelhante aos desmossomos e por vários desmossomos, sendo, portanto, uma estrutura de vedação e adesão. As junções comunicantes são formadas por tubos proteicos paralelos que atravessam as membranas das duas células chamados de conexons. Podem ser construídas e desfeitas pela simples concentração ou dispersão de proteínas (conexinas) em qualquer ponto de aproximação entre as membranas de células vizinhas. Esta junção geralmente é encontrada em células epiteliais do revestimento, epiteliais glandulares, musculares lisas, musculares cardíacas e nervosas. A sua função é a comunicação entre células, permitindo que grupos celulares funcionem de modo coordenado e harmônico, formando um conjunto funcional. Através das junções comunicantes, há circulação de nutrientes, dejetos metabólicos, substâncias sinalizadoras, além de potenciais elétricos de ação que atuam em alguns processos como as contrações do músculo cardíaco (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 5.3 Transporte através da membrana A capacidade de uma membrana ser atravessada por algumas substâncias e não por outras define a sua permeabilidade e, para a maioria das substâncias, existe uma relação direta entre a sua solubilidade nos lipídios e sua capacidade de penetração nas células. As substâncias solúveis nos lipídios atravessam mais facilmente a membrana, como é o caso dos hormônios, ácidos graxos e anestésicos. Existem diversos tipos de transporte através da membrana. O transporte passivo ocorre a favor do gradiente de concentração, com a finalidade de equilibrar as concentrações nas duas faces da membrana sem gasto de energia. São exemplos deste transporte a osmose, a difusão simples e a difusão facilitada. O transporte ativo ocorre com gasto de energia e contra o gradiente de concentração (do local de menor para o local de maior concentração), como a bomba de Sódio e Potássio. Na endocitose e exocitose, o transporte de substâncias depende de alterações morfológicas da superfície celular, como é o caso da fagocitose e pinocitose. Na osmose, a água se movimenta através da membrana do local de menor concentração para o local de maior concentração do soluto. A pressão osmótica é a pressão com que a água é forçada a atravessar a membrana. Na solução isotônica, quando a solução contém a mesma quantidade de partículas por unidade de volume, o fluxo de água é proporcional nos dois sentidos; quando encontramos uma situação onde de um lado há solução hipertônica, que possui maior soluto e 36 maior pressão osmótica e no outro lado há uma solução hipotônica, com menos soluto e menor pressão osmótica, o fluxo de água será da solução hipotônica em direção à hipertônica. Na difusão simples, há a passagem de moléculas do soluto do local de maior para o local de menor concentração, pois a distribuição do soluto tende a ser uniforme em todos os pontos do solvente. Neste caso, o soluto entra na célula quando sua concentração é menor no interior da célula do que no meio externo e sai da célula no caso contrário. Na difusão facilitada as substâncias entram na célula a favor de um gradiente de concentração com velocidade maior do que na difusão simples, devido à participação de uma proteína transportadora localizada na membrana plasmática (permease). Quando todas as proteínas transportadoras são ocupadas pelas moléculas que estão sendo transportadas, há um ponto de saturação e a velocidade torna-se constante. A glicose é uma substância transportada para o interior da célula desta maneira. O transporte ativo ocorre contra o gradiente de concentração e com gasto de energia e depende de permeases denominadas bombas. O exemplo mais conhecido é o da bomba de sódio (Na) e Potássio (K ). Nesse caso, a bomba expulsa o Na para o meio extracelular e leva o K para o interior da célula, mantendo as diferenças nas concentrações destes íons entre o meio interno e externo. Através deste mecanismo, ocorre a manutenção do potencial elétrico da membrana. A fagocitose ocorre através da formação de pseudópodos (prolongamentos da membrana), permitindo que a célula englobe partículas sólidas. O material englobado é envolvido por uma membrana formando uma vesícula chamada fagossomo. A fagocitose é realizada por células de defesa como os macrófagos e neutrófilos. Na pinocitose, há o englobamento de partículas líquidas (em solução) através da invaginação de uma área da membrana, formando vesículas que são puxadas pelo citoesqueleto e penetram no citoplasma. Na endocitose mediada, a substância a ser incorporada adere a um componente específico da membrana celular (receptor), que tem afinidade por esta substância. A exocitose é a saída de substâncias da célula e ocorre em e etapas (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012): 1) migração: vesículas de exocitose se deslocam através do citoplasma; 2) fusão: fusão da vesícula com a membrana celular; 3) lançamento: lançamento do conteúdo para o meio extracelular. 37 Conclusão do bloco 5 Todas as membranas têm estrutura molecular básica semelhante, sendo formadas por uma bicamada lipídica, com moléculas proteicas inseridas e provocando saliências em uma ou nas duas faces da membrana. É um fluido lipoproteico e a superfície mais externa, rica em açucares, forma o glicocálice. A membrana envolve a célula, define seus limites, controla a entrada e saída de substâncias, além de reconhecimento e adesão celular. A membrana celular apresenta diferentes modificações de sua estrutura chamadas especializações da membrana celular. Essas estruturas podem ser de adesão (demossomos e junção aderente), de vedação do espaço intercelular (zônula oclusiva), de comunicação entre as células (junção comunicante) ou ainda para aumentar a superfície celular (microvilos). As moléculas podem penetrar nas células ou sair delas por diferentes processos, sem consumo de energia (transporte passivo) ou com gasto de energia (transporte ativo). A endocitose (fagocitose e pinocitose) ocorrem através de alterações da superfície da membrana celular. A eliminação de substânciasocorre através da exocitose. Referências do bloco 5 DE ROBERTIS, E. M.; HIB, J. Biologia celular e molecular. 16. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. 363 p. JUNQUEIRA, L. C; CARNEIRO, J. Biologia celular e molecular. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 364 p. 38 BLOCO 6: CÉLULAS PROCARIONTES As células procariontes, representadas pelas bactérias, são caracterizadas pela ausência de carioteca e compartimentos em seu interior. São menores que as células eucariontes e, apesar de estruturalmente simples, são metabolicamente complexas. 39 6.1 Estrutura da célula procarionte As células procariontes são as mais antigas da Terra e constituem as bactérias, os menores seres vivos e os mais simples do ponto de vista estrutural. As bactérias são encontradas em todos os locais (ar, água e solo) e no interior ou na superfície do corpo dos organismos pluricelulares e podem apresentar variados formatos: 1) cocos: esféricos, isolados ou agrupados dois a dois (diplococos), enfileirados (estreptococos) ou em formato de cacho de uva (estafilococos); 2) bacilos: alongados, isolados ou agrupados (diplobacilos e estreptobacilos); 3) outros formatos: espirilos (formato helicoidal) e vibriões (em formato de arco). A camada mais externa é a cápsula, presente em diversos tipos de bactérias e de espessura e composição variadas; nas bactérias patogênicas, atua como uma camada protetora contra a fagocitose e contra outros elementos de defesa do organismo. Tem antígenos na sua composição. A parede celular é uma camada rígida, responsável pelo formato de célula, atuando na proteção contrarruptura e contra vírus, além de permitir a entrada e saída de substâncias. Dependendo da sua composição, as bactérias são classificadas em Gram + e Gram-. As bactérias Gram + têm uma parede celular de composição simples, formada por peptideoglicanos e ácido teicóico. As Gram -, por sua vez, apresentam uma composição mais complexa, formada por peptideoglicanos, lipoproteínas e lipopolissacarídeos. A membrana celular é uma camada lipoproteica, semelhante à célula eucariótica. Na sua composição encontramos lipídios, proteínas, receptores e moléculas relacionadas com o transporte através da membrana. Podem formar o mesossomo, uma invaginação que aumenta a superfície da membrana, contém enzimas respiratórias e participa do processo de divisão celular. Os ribossomos representam a única organela presente no citoplasma da célula procarionte, que é desprovido de outras organelas ou compartimentos. Se unem ao RNA formando polirribossomos, que são responsáveis pela síntese de proteínas. O nucleoide é o local onde se localiza o DNA bacteriano, que é circular, de cadeia dupla, ligado à face interna da membrana plasmática e de tamanho variável. Os plasmídeos são pequenos cromossomos localizados fora do nucleoide, com autonomia de duplicação. São responsáveis pela resistência a antibióticos, produção de toxinas e pelo metabolismo de algumas substâncias. São transferíveis de uma bactéria à outra. 40 Os flagelos são órgãos de locomoção filamentosos, cuja base é dilatada e se encontra imersa na parede e na membrana plasmática da célula bacteriana, sendo responsável pela rotação do flagelo. Os flagelos são polímeros de flagelina e sua rotação de ambos os lados permite a locomoção da bactéria. O pili (fimbrias) é formado por filamentos rígidos, proteicos, não associados à locomoção, sendo mais finos e curtos em comparação aos flagelos. Existem dois tipos de fímbrias: as comuns, que promovem a aderência de bactérias às células eucariontes hospedeiras, com importante papel na patogenicidade destas bactérias; e as fímbrias sexuais, responsável pela transferência de material genético entre bactérias durante um processo de reprodução denominado conjugação. Os grânulos de reserva acumulam amido, glicogênio ou outros componentes utilizados como fonte de carbono para a síntese de proteínas e ácidos nucleicos. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 6.2 Metabolismo da célula procarionte O metabolismo é definido como o conjunto de reações químicas necessárias à vida. Pode ser dividido em catabolismo e anabolismo. No catabolismo as reações químicas liberam energia a partir da degradação de substâncias orgânicas. No anabolismo ocorrem as reações químicas que consomem energia e permitem a síntese de precursores metabólicos, macromoléculas e estruturas celulares. As bactérias são organismos estruturalmente simples, mas metabolicamente complexos e utilizam como fonte de carbono e de energia os mais diversos nutrientes. Através destas reações químicas, as bactérias conseguem desempenhar as funções necessárias para a sua sobrevivência, nos mais variados ambientes. No caso da temperatura, a maioria das bactérias prolifera entre 37C e 39C, mas encontramos casos extremos como a Thermus aquaticus, uma bactéria que prolifera em temperaturas acima de 70C e a Polaromonas vacuolata, que prolifera a 4C, não se multiplicando bem acima de 12C. No que se refere à fonte de energia, existem as bactérias fototróficas, que utilizam a luz como fonte de energia (fotossintéticas) e as quimiotróficas, que são capazes de utilizar a energia dos compostos químicos. Este último grupo pode ser dividido em quimiolitotróficas, em que o doador de energia é inorgânico (enxofre, amônia etc.) e quimiorganotróficas, em que o doador de energia é orgânico (carboidratos, aminoácidos, vitaminas). Entre as quimiorganotróficas, as bactérias podem ser anaeróbicas (energia retirada da fermentação dos hidratos de carbono) ou bactérias anaeróbicas facultativas, que podem viver tanto em meio aeróbio como anaeróbio. A capacidade de utilizar diferentes nutrientes como fonte de carbono associada com a resistência a extremos de 41 temperatura explica distribuição universal das bactérias que podem ser encontradas em diferentes tipos de solo, nos mares, rios e lagos, na pele e no interior dos animais, As toxinas bacterianas são substâncias responsáveis pelos danos causados pelas bactérias aos organismos por ela atacados. São classificadas em endotoxinas, quando fazem parte da estrutura da própria bactéria, ou exotoxinas, quando são liberadas para o ambiente. Temos, por exemplo, a Clostridium tetani, bactéria causadora do tétano. O esporo é uma estrutura de resistência formada por algumas bactérias quando o ambiente se torna desfavorável, por exemplo, condições críticas de temperatura, falta de água ou de nutrientes. São células cujo citoplasma contém pouca água e não apresentam atividade metabólica, além de estarem envolvidas por espesso envoltório. Adquirem a forma de corpúsculos esféricos ou ovoides, livres ou no interior da bactéria. São formados a partir da invaginação de uma dupla camada da membrana celular, que se fecha para envolver um cromossoma e uma pequena quantidade de citoplasma, sendo um processo que ocorre para garantir a sobrevivência da espécie. Na fase esporulada, as bactérias não realizam atividade biossintética, reduzem sua atividade respiratória e não ocorre a multiplicação nem crescimento bacteriano. As bactérias podem permanecer viáveis na forma de esporos durante anos. Entretanto, assim que o ambiente se torna favorável, estes esporos podem voltar a se reproduzir e multiplicar. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 6.3 Reprodução da célula procarionte A reprodução das bactérias ocorre de duas formas: assexuada, ou seja, sem a necessidade de contato entre duas bactérias para que ocorra a reprodução e dessa forma, uma única bactéria é capaz de dar origem à outra, fator que ajuda na multiplicação rápida desses organismos. É chamada de fissão ou divisão binária. E sexuada, assim denominada para qualquer processo de transferência de fragmentos de DNA de uma célula para outra. A transferênciade DNA de uma bactéria para outra pode ocorrer de três maneiras: por transformação, conjugação e por transdução Na divisão binária, há formação de septos que se dirigem para o interior da célula, promovendo a formação de duas células filhas. Ela é precedida pela síntese e duplicação do material genético, que ocorre de forma semiconservativa, onde cada célula filha recebe pelo menos uma cópia do 42 cromossomo da célula mãe. É um processo rápido, levando cerca de 20 minutos, gerando 8 bactérias por hora e este aumento da população bacteriana contribui para o surgimento de bactérias modificadas e adaptadas ao meio. Na transformação, adiciona-se a um meio de cultura bacteriana, DNA extraídos de outras bactérias ou ocorre o rompimento de uma bactéria em condições naturais, com liberação de seu DNA. Desta forma, algumas bactérias da cultura adquirem características hereditárias derivadas da informação contida nos segmentos de DNA recebidos, promovendo o surgimento de novas linhagens de bactérias. A transformação ocorre apenas em bactérias compatíveis. Quando o DNA adquirido é estranho, ele é destruído por enzimas de restrição, cuja função e defender bactérias de vírus invasores. Quando o DNA adquirido é compatível, ocorre uma recombinação com a integração, ao cromossomo bacteriano, do DNA que penetrou na célula. A conjugação se caracteriza pela transferência de DNA através de pontes ou comunicações citoplasmáticas temporárias denominadas pontes de conjugação. A bactéria doadora contém plasmídeo F (fator de fertilização), que codifica a fímbria sexual; esta, por sua vez, forma a ponte de conjugação que mantém as duas bactérias juntas. Neste processo, apenas um dos plasmídeos é transferido da célula doadora para a célula receptora e o filamento que fica na célula doadora se duplica e permanece circular. O filamento que entra na célula receptora também se duplica logo após a transferência. Através da conjugação, pode ser transferido plasmídeo R (resistência) que contém genes que codificam enzimas que destroem os antibióticos e tornam as bactérias receptoras resistentes. Nas bactérias Gram +, não há participação das fímbrias. As bactérias receptoras secretam moléculas que estimulam as doadoras a produzir proteínas que favorecem a união das bactérias através da formação de pontes de transferência entre doadoras e receptoras. A transdução é um processo pelo qual uma bactéria transmite geneticamente a informação a outra através de um vírus bacteriano (bacteriófago). Os bacteriófagos são cultivados junto com as bactérias doadoras, destruindo-as e incorporando os genes bacterianos. Estes bacteriófagos contendo genes do DNA bacteriano irão injetar genes de uma bactéria em outra, transferindo informação genética. Posteriormente, o segmento do DNA da primeira bactéria será incorporado ao cromossomo da segunda bactéria e transmitido às células descendentes da célula receptora. (DE ROBERTIS; HIB, 2014; JUNQUEIRA; CARNEIRO, 2012). 43 Conclusão do bloco 6 As células procariontes não possuem membrana nuclear (carioteca) e o seu material genético ocupa um espaço dentro da célula chamado nucleoide. Devido à ausência de organelas e compartimentos internos, estas células são menores que as células eucariontes. Todas as bactérias são procariontes. De acordo com o metabolismo, as bactérias são encontradas em praticamente todos os ambientes (aéreo, terrestre e aquático) e com grande amplitude térmica. Podem ser fototróficas ou quimiotróficas e, diante de condições adversas, originam esporos muito resistentes às variações extremas do ambiente. As bactérias se dividem de forma assexuada por fissão da célula em duas, após duplicação do filamento circular de DNA. A transferência de material genético entre bactérias ocorre por transformação (incorporação de material do ambiente), por conjugação (entre duas bactérias) ou por transdução (através de um vírus). Referências do bloco 6 De ROBERTIS, E. M.; HIB, J. Biologia celular e molecular. 16. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. 363 p. JUNQUEIRA, L. C; CARNEIRO, J. Biologia celular e molecular. 9. ed. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. 364 p.
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