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Célula procariótica A célula procariótica possui um único compartimento delimitado por membrana, responsável por todas as funções dentro da célula. Célula eucariótica A célula eucariótica possui vários compartimentos delimitados por membrana. Temos a membrana externa, que fica em contato com o ambiente externo à célula e dentro da célula temos diferentes compartimentos delimitados por membrana chamadas organelas, cada um respondendo por uma determinada função dentro da célula. Os diferentes tipos de compartimentos delimitados por membrana variam entre os tipos celulares e tecidos, de acordo com a função exercida por esses tecidos ou órgãos – função do tipo celular. Ou seja, a participação de cada compartimento ou organela varia em número ou porcentagem de acordo com a função por ele exercida dentro daquele tecido. Patologias Temos diversas patologias associadas aos compartimentos – organelas. Por exemplo, a pseudoacondroplasia e acondroplasia, causadas por um defeito no retículo endoplasmático rugoso. Retículo endoplasmático rugoso Modelo celular Azul: citoesqueleto, provavelmente filamentos de actina. Rosado: sistema de endomembranas altamente unificado. Verde: núcleo. O sistema de endomembranas é um sistema único, altamente interconectado. As organelas estão organizadas de forma dependente e conectada. Sistema de endomembranas Origem da compartimentalização A origem da compartimentalização do material genético em uma organela especializada se inicia no núcleo. Durante o processo evolutivo, uma célula procarionte – com uma única membrana – sofreu uma série de envaginações, que gradadativamente começaram a individualizar o material genético e em algum momento essas invaginações perderam o contato com o ambiente externo, criando um compartimento altamente ramificado e interconectado. (Teoria de Robertson). Essas membranas farão parte tanto do RE quanto do envoltório nuclear – contínuos. O material genético ficou preso na membrana e sofreu invaginações que individualizaram o material genético em uma organela hoje conhecida como núcleo. Ribossomos aderidos na membrana, que foram para as membranas que originaram o RE. As mitocôndrias e os cloroplastos tiveram uma origem diferente desta do sistema de endomembranas. A formação dos cloroplastos e das mitocôndrias se deu, possivelmente, pela Teoria da Endossimbiose, a qual prega que uma célula pré-eucariótica fagocitou bactérias ou organismos procariotos. Com a evolução, estes dois organismos passaram a viver em simbiose e com o passar do tempo, acabaram se tornando organelas. Essas duas organelas possuem duas membranas e não possuem interconexão com o sistema de endomembranas – as únicas com duas membranas e isoladas. Cada compartimento possui uma função específica, pois em cada um há um conjunto de proteínas diferentes que determinam a função de cada um – núcleo, com a replicação do DNA; retículo, com as funções específicas dos retículos. Como cada organela adquire seu conjunto de proteínas? Toda e qualquer proteína tem a sua síntese iniciada no citosol, a partir das duas subunidades do ribossomo que se associam ao RNA-m. Essas proteínas, vão, depois, serem destinadas a cada uma das organelas – núcleo, cloroplasto, peroxissomo, mitocôndria, retículo endoplasmático. As proteínas, que têm sua síntese iniciada no citosol possuem uma sequência específica de aminoácidos – sequência sinal – para cada organela. Essa sequência sinal específica direciona o transporte e a localização de cada tipo de proteína para sua respectiva organela. Por exemplo, as proteínas que serão destinadas ao retículo endoplasmático possuem uma sequência sinal – de resíduos de aminoácidos – assim: H3N-Met-Met-Ser-Phe-Val-Ser-Leu-Leu-Leu-Val- Gly-Ile-Leu-Phe-Trp-Ala-Thr-Glu-Ala-Glu-Gln-Leu- Thr-Lys-Cys-Glu-Val-Phe-Gln Se essa proteína deve, por exemplo, se manter presa na membrana do retículo, a sequência sinal é -Lys-Asp-Glu-Leu-COO- Muitas dessas proteínas que são direcionadas são transportadas na sua conformação original. Por exemplo, as proteínas que vão para o núcleo possuem uma sequência sinal chamada sequência sinal de importação nuclear, que vai ser reconhecida por um receptor chamado de importina. Ao mesmo tempo vai ser reconhecida pelas proteínas do complexo de poro. A importina fará o transporte da proteína cargo a ser transportada para o núcleo com uso de energia na forma de GTP. Nesse caso, a sequência sinal não é clivada. Outro exemplo: proteínas que devem ser direcionadas para a mitocôndria possuem uma sequência sinal, que se liga com o receptor – proteína transmembrânica – na membrana externa da mitocôndria. Essa proteína, para ser transportada, ela será desdobrada e será transportada por um translocom (protein “As proteínas têm sinais intrínsecos que governam seu transporte e localização dentro da célula”. – Blobel, Günter. translocator; proteínas transmembrânicas presentes tanto na membrana externa quanto na membrana interna, que formam um canal quando se alinham), permitindo que ela seja levada para dentro da mitocôndria. Depois de ser translocada, ela retorna à sua conformação anterior. Nesse caso, a sequência sinal é clivada. Papel da sequência sinal no direcionamento das proteínas: Proteínas destinadas a ficar no citosol – proteínas citosólicas não apresentam nenhuma sequência sinal. Proteínas destinadas à organelas possuem sequência sinal N terminal que as direciona para a organela em questão. Blobel provou sua tese colocando a sequência sinal de retículo em proteínas citosólicas e retirou a sequência sinal das proteínas de retículo. Alguns minutos depois, viu que as proteínas de retículo, quando perdiam a sua sequência sinal, ficavam no citosol. Enquanto isso, as proteínas citosólicas que receberam o sinal se localzavm dentro do retículo endoplasmático. Fez o experimento utilizando marcadores fluorescentes. O RNA-m se associa às subunidades maior e menor do ribossomo. Esse ribossomo começará a ler o RNA-m do 5’ para o 3’, e na medida que ele vai lendo, vai surgindo uma proteína nascente (aminoácidos vão sendo incorporados). Os ribossomos podem ficar livres no citosol ou podem estar associados à membrana do retículo endoplasmático (rugoso), mas ambos possuem a mesma função.. Na membrana do retículo endoplasmático, os ribossomos associados farão a leitura do RNA-m e produzirão um polipeptídeo com uma sequência sinal que direcionará a síntese para o lúmen – dentro – do RE – sequência sinal de retículo. Retículo Endoplasmático Liso Quando não está associado à ribossomos. A sua membrana está interconectada com o retículo endoplasmático rugoso. Retículo Endoplasmático Rugoso Quando está associado à ribossomos. A membrana do envoltório nuclear é contínua com o retículo endoplasmático rugoso. É, na verdade, um único sistema de membranas, um único retículo endoplasmático. Na microscopia eletônica de transição, observa-se a presença de pontos eletrondensos – ribossomos – no RER. A membrana do RE delimita um espaço chamado de lúmen, formando um aspecto longitudinal. Cisternas que formam lúmens. Observa-se os poliribossomos (estrutura em forma de colar de contas), ou seja, uma única molécula de RNA-m com vários ribossomos associados à ela. No REL, não há ribossomos aderidos, mas há um aspecto vesiculoso, ou seja, veremos ele como se fossem vesículas conectadas. Podemos ter pontos eletondensos, mas não são ribossomos. O REL parece-se com vários tubos interconectados. Observa-se claramente a transição entre retículo endoplasmático liso e rugoso: Sequência sinal Um RNA-m associado às subunidades do ribossomo e começa a ler do 5’ para o 3’ e forma um polipeptídeo nascente, que na sua porção terminal (C ou N) terá uma sequênciaespecífica chamada de sequência de importação de retículo – geralmente formada por aminoácidos altamente hidrofóbicos. Essa sequência de importação de retículo é reconhecida por um receptor – proteína - chamado de partícula de reconhecimento de sinal – PRS – e quando isso acontece, ela interrompe a síntese daquela proteína (o ribossomo pára de andar no RNA-m). A partícula de reconhecimento de sinal, presa com a sequência sinal, levará esse conjunto para a membrana do RE. Lá, teremos um receptor de PRS que reconhece a PRS e uma vez reconhecida, ela será liberada. Geralmente, ao lado desse receptor, temos um canal de translocação fechado – com um plug. Ao mesmo tempo em que se é liberada a PRS, a sequência sinal fica exposta novamente. Como essa sequência sinal é altamente hidrofóbica, ela abre o canal e fica presa na membrana do retículo. Quando isso acontece, o ribossomo com o seu RNA-m ficará conectado ao canal de translocação. Como a PRS foi liberada, agora a síntese dessa proteína pode continuar. À medida que a proteína vai sendo produzida, ela vai sendo translocada para dentro do retículo, pois sua síntese deve continuar no retículo. A sequência sinal fica presa na parte hidrofóbica da membrama. Na parte interna do RE, temos uma proteína chamada de peptidase de sinal que reconhecerá a sequência sinal e clivará essa sequência sinal. Quando isso acontece, a proteína que estava presa na membrana, fica solta no lúmem do retículo. Depois, pode ficar alí ou ir para outros compartimentos membranosos. Ou seja, proteínas solúveis são liberadas por uma peptidase de sinal. Se a proteína tiver que ficar presa na membrana do retículo, ela deve ter uma outra sequência hidrofóbica (amarela – parada de translocação), além daquela que fica presa no canal de translocação (vermelho). Quando essa proteína entra, essas partes imediatamente ficam presas na parte hidrofóbica da membrana. Uma peptidase de sinal cliva a sequência sinal terminal (vermelha), mas não cliva a parada de translocação (amarela). Essa proteína – chamada de UNIPASSO porque passa uma única vez do plano da bicamada –, fica então presa na bicamada lipídica do RE. Assim, proteínas transmembrânicas permanecem na bicamada lipídica. A porção N terminal fica voltada para o lúmen do retículo e a porção C terminal fica voltada para o citosol. N terminal: NH2 C terminal: COOH Pode haver um caso em que a sequência sinal hidrofóbica (vermelha – sequência de retenção de retículo) não está exatamente na porção terminal da proteína, mas um pouco mais interior a ela. Quando a sequência sinal direciona essa proteína ao RE, ela fica presa à parte hidrofóbica da membrana. Ela vai translocando a proteína até chegar a outra sequência altamente hidrofóbica que prende a proteína na membrana do RE. Sempre teremos uma sequência de início de translocação e uma sequência de parada de translocação. Nesse caso, essa sequência não é reconhecida pela peptidase de sinal e fica presa na membrana e passa duas vezes pelo plano da bicamada – MULTIPASSO. Por exemplo, uma proteína que passa sete vezes pela bicamada lipídica deve ter sete pares de sequência sinal hidrofóbicas de início e parada, alternadamente. O que faz com que o retículo endoplasmático liso não possua ribossomos associados é o fato de que ele não possui receptor de partícula de sinal. A membrana de RE que possui esses receptores e o canal de translocação indica a presença de ribossomos associados. Como essa estrutura é dinãmica, uma vez ele pode ser liso ou rugoso, podendo mudar essa configuração. Além disso, pela fluidez da camada, pode haver a movimentação dessas proteínas. Glicosilação À medida que as proteínas vão sendo translocadas, vão sendo adicionados açúcares à essa proteína – glicosilação. A maioria das proteínas de retículo endoplasmático são glicosiladas, enquanto proteínas citosólicas são glicosiladas. Há uma região específica – sequência - na proteína – geralmente uma asparagina, seguida de um resíduo X e depois uma serina ou uma trionina – que indica ao retículo que deve haver um açucar associado à asparagina. Esse açúcar será adicionado por um precursor original de oligossacarídeo adicionado na maioria das proteínas do RE. O precursor está ligado a um fosfolipídeo na membrana do retículo endoplasmático. O fosfolipídeo é chamado de dolichol-bi-fosfato e estará associado a um oligossacarídeo. Na presença de uma sequência Asn-X- Ser-Tr na cadeia da proteína que está sendo translocada, existe uma enzima que reconhecerá essa sequência e vai transferir o açúcar do dolichol para a asparagina da proteína. Em suma, à medida que a proteína do retículo é translocada pela membrana do retículo, se possuir a sequência de resíduos de aminoácidos citada, há a adição de açúcar na sua cadeia. Funções do Retículo Endoplasmático Liso Síntese de lipídeos (fosfolipídeos, triglicerídeos, colesterol, esteróides): duas moléculas de ácidos graxos + uma molécula de glicerol. Existem enzimas que são associadas á membrana do RE, principalmente na face voltada ao citosol. Há uma proteína que se liga ao ácido graxo e transporta esses acídos graxos para a face externa da membrana do REL. Esses ácidos graxos precursores se inserem na membrana e para sintetizar um fosfolipídeo é necessário que haja dois precursores. Esses dois precursores receberão, cada um deles, uma coenzima A, entregues e ligados pela enzima Acil- CoA-ligase. Existe um glicerol-3-fosfato e outra enzima Aciltransferase, que irá transferir o glicerol-3-fosfato para esses dois precursores e retirará as coenzimas A. O glicerol ligado ao fosfato ficará preso às duas cadeias de ácidos graxos. A próxima enzima, uma fosfatase, retira o fosfato. No próximo passo, teremos enzimas específicas ligadas a certo grupamento químico. Por exemplo, a enzima colina fosfotransferase pegará o precursor CDP-colina e o cliva, formando CMP (C-P) e colina-fosfato. Essa colina- fosfato se ligará ao carbono do glicerol (conectado nos precursores) que tinha o fosfato antes de ser desfosforilado. Fica, então, uma fosfatidil colina, formada por duas cadeias de ácidos graxos, glicerol, fosfato e colina. A formação dos fosfolipídeos ocorrerá somente em uma das faces da membrana do REL, logo, haverá mais fosfolipídeos em uma face. Teremos uma outra enzima chamada de scramblases ou misturadoras ou translocadoras que fará flip-flop, transferindo os fosfolipídeos de uma face para a outra, misturando-os ao mesmo tempo (algo que as flipases da membrana plasmática não fazem). Se os lipídeos recém-sintetizados precisarem ser distribuídos para outras partes da célula, podem viajar através de vesículas (a membrana do retículo que formou o fosfolipídeo se desprende em forma de vesícula e esta transportará o fosfolipídeo para uma região específica. Vesículas transportadoras: complexo de Golgi; lisossomos; membrana plasmática. Pode ser transportado também por proteínas transportadoras (as proteínas têm capacidade de se ligar com os fosfolipídeos e estas os levam para uma membrana específica. Proteínas citosólicas transportadoras: mitocôndrias; plastos e peroxissomos. A síntese de hormônios esteróides é realizada por células como as células de Leidg e células das supraadrenais. Essas células possuem muitas gotículas de gordura e possuem muito REL (aparência vesiculosa no microscópio eletrônico). Geralmente terá mitocôndrias com cristas tubulares. Para a síntese desses hormônios, nas glândulas supraadrenais, as mitocõndrias vão possuir proteínas específicas – STAR, que transportará o colesterol para dentro da mitocôndria e uma enzima modificará o colesterol em pregnelolona. A partir da pregnelolona, outras enzimas a convertem em várias outras moléculas que fazem parte da via biossintética da produção de hormõniosesteróides. A maior parte dessas enzimas está presente no REL, por exemplo a 3- beta-hidroxiteroide-desidrogenase. Alguns eseróides podem voltar para a mitocôndria, como a 11-beta-hidroxiterpoide-desidrogenase, que produz o hormônio esteróide cortisol. Glicogenólise: enzimas que fazem parte da glicogenólise estão da membrana do REL; o grânulo de glicogênio é convertido em glicose-1-fosfato pela enzima glicogênio- fosforilase. Depois, a glicose 1-fosfato é convertida em glicose-6-fosfato pela fosfoglicomutase. Depois, a glicose-6- fosfato será convertida em glicose pela glicose-6-fosfatase que está na membranda do retículo endoplasmático liso. Assim, a glicose passa pela membrana plasmática pelo transportador GLUT do lúmen do retículo para o plasma (capilar). Desintoxicação celular: na membrana do retículo endoplasmático liso há uma série de proteínas – citocromos como P450 – com função de metabolizar drogas. Transformam uma droga insolúvel em um produto hidrossolúvel a ser eliminado pela urina. A maior parte ocorre nos hepatócitos. Armazenamento de cálcio na célula muscular (estriada esquelética): Essa célula vai apresentar retículos sarcoplasmáticos que possuem a função de armazenar cálcio. A célula recebe um estímulo, é propagado pelas envaginações de membrana chamados túbulos T, chega no RS e esse potencial (despolarização) fará com que canais de cálcio sejam abertos e esse Ca presente no RS será liberado no citoplasma (aumento de cálcio citoplasmático – importante para o processo de contração muscular. O cálcio será armazenado em vesículas. Transporte vesicular VIA SECRETORA Existem duas vias dentro das células – secretoras e endócrinas, amabas utilizando vesículas transportadoras. Na via secretora, ocorre um transporte anterógrado. Na via endocítica, ocorre um transporte retrógrado. A membrana do retículo endoplasmático vai brotar de uma estrutura, formando uma vesícula que se funde em outra membrana em um compartimento receptor. Para a formação dessas vesículas, existirão diferentes proteínas importantes, como por exemplo a COPII – responsável pela produção de vesícula do retículo endoplasmático para o Complexo de Golgi. A proteína responsável pela formação de vesículas entre o aparelho de Golgi é a COPI. As proteínas que revestem as vesículas são importantes para a formação das vesículas. Na membrana plasmática doadora há receptores que vão reconhecer uma partícula que tem que ser internalizada e quando há uma interação da carga com o receptor, existem proteínas adaptadoras (verdes) que interagirão com os receptores (azuis) e atrairão proteínas chamadas clatrinas, que se associarão às proteínas adaptadoras e irão formando um brotamento ou invaginação que vai se afundando para o interior da célula, formando uma região parecida com um pescoço. Nessa região, outra proteína será associada, chamada de dinamina, formando uma espiral e clivando a estrutura vesicular do restante da membrana. Há a formação de uma vesícula revestida por proteínas. Uma vez que a vesícula é formada, não havendo mais a necessidade da proteína adaptadora e nem da clatrina, essa cobertura desmonta, restando apenas a vesícula com os receptores e a carga. Essa vesícula vai para seu destino correto na célula porque vamos ter a associação de proteínas receptoras na membrana da organela-alvo com receptores da vesícula. Essas proteínas são chamadas de V-SNARE quando associadas à vesícula e chamadas de t-SNARE. Outra proteína – proteína de conexão – aproxima a vesícula da membrana-alvo. A V- SNARE vai interagir (conexão) com a t-SNARE (mecanismo de chave-fechadura). As vesículas terão suas membranas fundidas com a membrana-alvo e a vesícula libera a proteína de carga. Cada v-SNARE interage com o seu t-SNARE compatível. Assim, as cargas são liberadas em seus destinos corretos. A toxina botulínica é uma protease que é produzida pela bactéria Clostridium botulinum gram positiva, anaeróbica. Ela vai atuar especificamente nas t-SNARE e v-SNARE. Nesse caso, a toxina botulínica cliva o v-SNARE e o t-SNARE, fazendo com que esses receptores não interajam e as vesículas não consigam liberar acetilcolina. Essas vesículas serão transportadas porque existem proteínas motoras – dineína e cinesina – que as carregam do retículo endoplasmático para o complexo de Golgi por meio da associação dessas proteínas com elementos do citoesqueleto (miosinas/actinas ou microtúbulos). Nesse caso, associam vesículas aos nucleotubos. A dineína faz o transporte do mais para o menos e a cinesina faz o transporte do menos para o mais. Transporte anterógrado: vesícula sai do RE e vai para o Golgi (revestimento de COPII). Transporte retrógrado: vesícula sai do Golgi e volta para o RE (revestimento de COPI). COMPLEXO DE GOLGI É um conjunto de cisternas achatadas, semelhantes a sacos, interconectadas e organizadas em pilhas. É responsável pelo transporte e endereçamento de substâncias, além do processamento ou modificação de proteínas e lipídeos. Há uma face cis, convexa, voltada para o retículo endoplasmático e uma face trans, côncava, voltada geralmente para a membrana plasmática. Dentre as cisternas, há muitas vesículas que vão transportar as proteínas entre as cisternas. Cada pilha do Golgi tem um tipo diferente de enzima, podendo cada uma das cisternas serem marcadas na microscopia eletrônica. É uma organela polarizada, com uma face CIS – entrada – e uma face TRANS – saída. Há, dentro da cada cisternas, enzimas específicas: manosidases, fosfotransferases, glicosilases, etc. Por cada cisterna, as proteínas vão passando por uma modificação. Na face trans há o empacotamento e o direcionamento dessas vesículas para a membrana plasmática. Há também a formação de lisossomos – que a partir do CG carrega proteínas hidrolíticas produzidas no RE. Funções: No CG ocorre a separação e o endereçamento de substâncias. Modificação de substãncias, como glicosilações – para a formação de glicoproteínas e glicolipídeos –, fosforilação para a formação de enzimas lisossomais, e sulfatação. Síntese de polissacarídeos de secreção. Nas células vegetais o CG está envolvido na síntese de compostos não celulósicos (pectinas, hemicelulose). Consequente acúmulo de substãncias envolvidas na produção do odor. Formação do acrossoma, capuz, na cabeça do espermatozóide cheio de enzimas hidrolíticas importantes para a fecundação. Liberação de vesículas contendo enzimas lisossomais para a formação do sistema endossomo/lisossomo, uma delas a manose-6-fosfato. Há dois tipos de vias de distribuição de proteínas na rede TRANS. 1. Via secretora constitutiva: a proteína vai brotar da face trans, vai formar uma vesícula de secreção e essa vesícula vai se fundir imediatamente na membrana plasmática. Isso ocorre continuamente. 2. Via secretora regulada: a proteína vai ser empacotada e só vai se fundir na MP para liberar seu conteúdo quando tiver um sinal – glicose, hormônios, neurotransmissores (acetilcolina). Ex: a fusão da vesícula contendo insulina é regulada pela glicose. Isso refletirá nas células secretoras: célula mucosa, cuja principal secreção é glicoproteínas e glicolipídedios. A célula cálice é corada de rosa escuro (possui polissacarídeos neutros). Possui uma membrana basal, núcleo basal e ao seu lado muito retículo endoplasmático rugoso e complexo de Golgi muito desenvolvidos. Vesículas de secreção com muco – glicoproteínas e glicolipídeos. A célula de secreção serosa, por sua vez, é uma célula secretora de proteínas (enzimas, água, íons), que ocorre no ácido pancreático. Também é polarizada, possui um núcleo basal; muito RER e na face trans do Golgi temos muitas vesículas de secreção contendo a secreção. Quando essas células recebem um sinal, as vesículas sofrem um processo de exocitose,liberando a secreção. Na micrografia eletrônica, quanto mais as vesículas perdem água, mais eletrondensas ficam, pois as proteínas ficam mais concentradas. Basal: basofílico, RER, mitocôndria, complexo de Golgi supranuclear. Apical: grãnulos de secreção (zimogênio = enzimas digestivas). Na hisologia, as células serosas são vistas: Ácios pancreáticos; Citoplasma bem basófilo, porque tem muito RER, que por sua vez tem ácidos ribonucleicos. Na porção apical temos os grãnulos de zimogênio bem básicas, que se cora mais com a eosina – ou seja, são estrururas acidófilas. INFECÇÃO POR COVID-19 Há uma interação entre a glicoproteína espícula do vírus de RNA Sars-CoV-2 com um receptor de membrana da célula que é o ACE-2 – enzima conversora de angiotensina -, juntamente com outra proteína chamada TMRPSS2. Quando isso acontece, a partícula viral será internalizada na célula em uma vesícula. O RNA do vírus é liberado, será reconhecido pelos ribossomos da célula hospedeira, ocorrerá a tradução e a produção de proteínas replicases que serão clivadas e permitirão a replicação do vírus. O RNA do vírus será novamente traduzido em outras proteínas que têm como destino para o retículo endoplasmático – provavelmente possuem uma sequência sinal -, posteriormente para o Golgi e depois as vesículas contendo os elementos do capuz do vírus montados e serão levadas para a membrana plasmática para sofrer exocitose, permitindo a infecção de outras células com outros vírus novos. Complexo de Golgi:
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