Uma Visão Geral da Célula
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Visão Geral da Célula Membrana Celular Visão Geral da Célula A célula é a unidade básica dos seres vivos pertencentes aos Reinos Monera, Fungi. Protista. Animalia e Plantae e portanto, também do homem que pertence ao Reino Animalia. Ela funciona como uma complicada máquina, realizando e dirigindo todas as funções vitais. Suas partes fundamentais são a membrana celular, citoplasma e o núcleo. As células são unidades estruturais e funcionais dos organismos vivos ou seja , todos os seres vivos são formados por células - compartimentos envolvidos por membrana, preenchidos com uma solução aquosa concentrada de substâncias químicas. As formas mais simples de vida são células individualizadas que se propagam por cissiparidade. Há muitos tipos diferentes de células, que variam enormemente em tamanho, forma e funções especializadas. Os organismos superiores, como os humanos (acredita-se que contenha pelo menos 100 trilhões de células), são como cidades celulares, nas quais grupos de células performam tarefas especializadas e são ligadas por um intrincado sistema de comunicação. Num punhado de solo ou numa xícara de água poderá haver dúzias de diferentes tipos de organismos unicelulares, sendo que em cada organismo multicelular seja ele o corpo humano ou a planta de milho, há dúzia ou centenas de 1 Visão Geral da Célula Membrana Celular diferentes tipos celulares, todos altamente especializados funcionando juntos na forma de tecidos e orgãos. E, não importa quão grande e complexo seja o organismo, cada um dos seus tipos celulares retém alguma individualidade e independência. Apesar das muitas diferenças visíveis, várias espécies de células são admiravelmente semelhantes nas suas características estruturais básicas. As células são pequenas e complexas, o que torna difícil ver suas estruturas, descobrir sua composição molecular e, mais difícil ainda, encontrar funções para seus vários componentes. Uma célula animal típica tem um diâmetro de 10 a 20 micrômetros, o que é aproximadamente 5 vezes menor que a menor partícula visível a olho nu. Somente quando microscópios ópticos de boa qualidade tornaram-se disponíveis, no início do século XIX pode-se descobrir que tecido animais e vegetais são agregados de células individuais. Esta descoberta, proposta como a doutrina celular por SCHLEIDEN E SCHWANN, em 1838, marca o nascimento formal da biologia celular. Células animais não são apenas minúsculas, mas também incolores e translúcidas e para visualizá-las é importante o desenvolvimento de técnicas de microscopia. 2 Visão Geral da Célula Membrana Celular Hemácias vistas em microscópio Hemácias coradas e vistas em eletrônico de varredura microscopia óptica Algumas descobertas importantes na história da microscopia óptica. 1611 - Kepler sugere maneiras para a construção de um microscópio composto. 1655 - Hooke utiliza o microscópio composto para descrever pequenos poros em secções de rolhas, que chamou de "células". 1674 - Lecuwenhoek comunica a descoberta de protozoários. Visualiza uma bactéria pela primeira vez nove anos mais tarde. 1833 - Brown publica suas observações microscópicas de orquídeas descrevendo claramente o núcleo da célula. 1838 - Schleiden e Schwann propõem a teoria celular, afirmando que a célula nucleada é a unidade da estrutura e função em plantas e em animais. 1857 - Kolliker descreve a mitocôndria em células de músculo. 1876 - Abbé analisa os efeitos da difração na formação da imagem e mostra como melhorar a construção do microscópio. 1879 - Flemming descreve com muita clareza o comportamento dos cromossomos durante a mitose em células animais. 1881 - Retzius descreve tecidos animais com um nível de detalhamento até então não obtido por nenhum outro microscopista óptico. Nas duas décadas seguintes ele, Cajal, e outros histologistas desenvolveram métodos de coloração e lançaram os fundamentos da anatomia microscópica. 1882 - Koch utiliza anilina para corar microrganismos e identificar as bactérias causadoras da tuberculose e da cólera. Nas duas décadas seguintes outros bacteriologistas, como 3 Visão Geral da Célula Membrana Celular Klebs e Pasteur, identificam os agentes causais de muitas outras doenças, através do exame de preparações coradas ao microscópio. 1886 - Zeiss constrói uma série de lentes, para o projeto proposto por Abbé, que permite aos microscopistas revelar estruturas nos limites teóricos da luz visível. 1898 - Golgi visualiza pela primeira vez e descreve o aparelho de Golgi através da coloração das células com nitrato de prata. 1924 - Lacassagne e colaboradores desenvolvem método auto-radiográfico para localizar polônio radioativo em amostras biológicas. 1930 - Lebedeff projeta e constrói o primeiro microscópio de interferência. Em 1932, Zernicke inventa o microscópio de contraste de fase. Esses dois tipos de microscópios permitem que células vivas, não-coradas, sejam vistas em detalhe pela primeira vez. 1941 - Coons use anticorpos acoplados a corantes fluorescentes para detectar antígenos celulares. 1952 - Nomarski idealiza e patenteia o sistema de contraste de interferência diferencial para o microscópio óptico, o qual ainda tem o seu nome. 1981 - Allen e Inoué aperfeiçoam o microscópio óptico de contraste com sistema de vídeo avançado. 1988 - Microscópios confocais de varredura comerciais passam a ser amplamente utilizados Microscópio de Hooke Microscópio Óptico Microscópio Eletrônico 4 Visão Geral da Célula Membrana Celular Tabela 1. Poder de resolução: Tamanho de células e de seus componentes, desenhados em escala logarítmica, indicando a faixa de objetos que podem ser propriamente visualizados a olho nu e através de microscópios óptico e eletrônico. Átomo 0.1nm Moléculas Proteínas 1nm 10nm Vírus/ Ribossomo Bactéria 100nm 1um Microscópio Eletrônico Microscópio Cél Cél Animal Vegetal 10um 100um 1mm 1cm Óptico Olho Nu 5 Visão Geral da Célula Membrana Celular Figura referente a tabela acima, inclusive com a descrição das medidas usadas em biologia celular Figura representando a escala de tamanho de algumas estruturas: 6 Visão Geral da Célula Membrana Celular Roteiro de Aula Prática 1. Assunto: Microscopia e a utilização do microscópio 2. Introdução: Descrição do microscópio óptico A palavra microscópio é de origem grega (micros =pequeno, scopein =observar, olhar com atenção). É um instrumento óptico que amplia a imagem de um pequeno objeto utilizando um sistema de lentes e fontes de iluminação. Todo microscópio é composto de partes mecânicas e partes ópticas, que juntas nos permitem a observação detalhada de materiais em estudo. 2.1. Partes mecânicas: - Base ou pé: é o suporte do microscópio, peça que sustenta todas as outras partes do aparelho. Braço ou coluna: peça que liga o pé à parte superior do microscópio. Mesa ou platina: peça de apoio da lâmina contendo o material para estudo, no centro da mesa existe um orifício para a passagem da luz. Charriot: peça ligada à platina que permite movimentar a lâmina no plano horizontal da esquerda para a direita e vice-versa, e de trás para frente e viceversa. Parafuso macrométrico: localiza-se em ambos os lados do braço, serve para ajustar o foco grosseiramente através de avanço ou recuo da mesa em relação à objetiva. Parafuso micrométrico: ajusta o foco finamente através de pequenos avanços ou recuos da mesa. Canhão: parte superior do microscópio constituída por um tubo contendo um prisma. Sustenta lentes objetivas e oculares, e serve para focalização do material. Revolver: peça onde se encaixam as lentes objetivas. É composto por um disco de ranhuras que permite a mudança das objetivas. 2.2. Partes ópticas: Condensador: conjunto de lentes situado abaixo da platina que concentra a luz e fornece iluminação uniforme à preparação biológica. 7 Visão Geral da Célula Membrana Celular Botão do condensador: permite a movimentação do condensador. Diafragma: regula a intensidade de luz que atinge a preparação através de uma alavanca para sua abertura ou fechamento. Objetivas: conjunto de 4 ou mais lentes superpostas que proporcionam aumentos diferentes para observação do material. O valor do aumento está gravado na objetiva. Oculares: possui 2 lentes convergentes que ampliam e corrigem os defeitos da imagem. O valor do aumento proporcionado está gravado na ocular. 3. Objetivos: 3.1. Conhecer os componentes do microscópio identificando suas partes. 3.2. Fazer observações de materiais ao microscópio relacionando as imagens formadas e os aumentos obtidos com seu funcionamento. 4. Materiais, equipamentos e reagentes: 4.1. Microscópio óptico comum; 4.2. Letras recortadas do jornal; 4.3. Lâminas e lamínulas; 4.4. Fio de algodão; 4.5. Copo com água; 4.6. Papel filtro. 5. Procedimentos: 5.1. Lâminas com letras: Coloque sobre a lâmina uma letra que você recortou do jornal; Coloque esta lâmina sobre a platina do microscópio, de modo a manter a letra na posição em que é lida por você; Focalize a letra, conforme o procedimento descrito anteriormente; Observe a posição da letra, na imagem formada pelo microscópio com a objetiva de 4X e 10X; Desenhe o observado. 8 Visão Geral da Célula Membrana Celular 5.2. Preparação a fresco de fio de algodão: Coloque um fio de algodão dissociado e cortado em pedaço sobre uma lâmina limpa; Adicione uma gora de água sobre o material; Cubra a lateral com uma lamínula limpa, obedecendo à seqüência abaixo: Apóie a lamínula sobre a lâmina em ângulo de 45°; Encoste a borda da lamínula na borda da gota de água até que esta se espalhe pela primeira; Abaixe a lamínula vagarosamente, procurando evitar a formação de bolhas de ar. Retire o excesso de água encostando um pedaço de papel absorvente na borda externa da lamínula, na linha de contato entre esta e a lâmina. Examine o material ao microscópio e desenhe no aumento de 10X. 6. Considerações finais: 6.1. Que diferenças você observou entre a posição das letras a olho nu e na imagem ao MO? 6.2. Nas objetivas de diferentes aumentos, o que você notou quanto ao tamanho da imagem e quanto à área do campo de observação? 6.3. Por que a lamínula deve estar sempre voltada para cima quando se observa o material ao microscópio? 6.4. Por que é necessário o uso do óleo de imersão na objetiva de 100X? 6.5. Observe o Microscópio abaixo e coloque os nomes das partes do mesmo, de acordo com os números indicados no aparelho. 9 Visão Geral da Célula Membrana Celular 1- _____________________________ 2- _____________________________ 3- _____________________________ 4- _____________________________ 5- _____________________________ 6- _____________________________ 7- _____________________________ 8- _____________________________ 9- _____________________________ 10- _____________________________ 11- _____________________________ 12- _____________________________ 13- _____________________________ 14- _____________________________ 15- _____________________________ 10 Visão Geral da Célula Membrana Celular RELATÓRIO DE ATIVIDADES DE LABORATÓRIO Nome do aluno:___________________________________________ Curso: ________________ Turma: _______________ Título: _________________________________________________________________________ Materiais utilizados: _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Procedimentos: _________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Discussão/Resultados: _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ 11 Visão Geral da Célula Membrana Celular _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ _______________________________________________________________________________ Esquemas: 12 Visão Geral da Célula Membrana Celular MEMBRANA CELULAR A membrana celular é uma película que envolve e protege a célula. Ela tem também a função importante no controle da entrada e de saída de substâncias na célula. Figura esquemática da Membrana Celular As membranas celulares são essenciais para a vida da célula. A Membrana Plasmática envolve a célula, define seus limites, e mantêm as diferenças essenciais entre o hialoplasma (ou citosol) e o meio extracelular. Dentro da célula, as membranas do retículo endoplasmático, aparelho de Golgi, mitocôndrias, e outras organelas envoltas por membrana, em células eucarióticas, mantêm as diferenças características entre os conteúdos de cada organela e o hialoplasma. Todas as membranas biológicas têm uma estrutura geral comum: é um filme muito fino de lipídeos e de proteínas, mantidas juntas principalmente por interações não covalentes. As membranas celulares são estruturas dinâmicas, fluídas, sendo que a maior parte de suas moléculas são capazes de mover-se no plano da membrana, as moléculas individuais de lipídeos são capazes de difundirem-se rapidamente dentro de sua própria monocamada e raramente saltam de uma monocamada para outra. 13 Visão Geral da Célula Membrana Celular As moléculas lipídicas são arranjadas como uma dupla camada contínua com cerca de 5nm de espessura. Essa bicamada lipídica fornece a estrutura básica da membrana e atua como uma barreira relativamente impermeável à passagem da maioria das moléculas hidrossolúveis. Os glicolipídeos são encontrados na metade não citoplasmática da bicamada lipídica. Na membrana plasmática os seus grupos açúcar estão expostos na superfície celular, sugerindo que eles desempenham algum papel nas interações da célula com a sua vizinhança. As membranas plasmáticas de eucariotos contêm quantidades particularmente grandes de colesterol. As moléculas de colesterol aumentam as propriedades de barreira da bicamada lipídica e devido as seus rígidos anéis planos de esteróide diminui a mobilidade e torna a bicamada lipídica menos fluida. A maioria dos lipídeos que compõem a membrana são fosfolipídeos dos quais predominam: fosfatidilcolina, esfingomielina, fosfatidilserina e fosfatidiletanolamina. Eletromicrografia mostrando as membranas plasmáticas e o espaço intercelular Todas as células estão envoltas por uma plasmática. Sua existência é condição indispensável para a existência de uma célula. Ela limita o território da célula e controla o seu conteúdo químico. É o limite entre os meios intracelular e extracelular, 14 Visão Geral da Célula Membrana Celular observável em detalhes somente com a utilização do microscópio eletrônico. Na sua composição química temos 40% de lipídios, 50% de proteínas e 10% de glicídios. Os glicídios. Situam-se na superfície externa das células eucarióticas e contribuem para uma assimetria da membrana; são oligossacarídeos unidos a lipídios (glicolipídios) ou a proteínas (glicoproteínas) que representam o fundamental para a identidade das células, formando o glicocálix ou glicocálice que desempenha as seguintes funções: Protege a superfície das células de possíveis lesões; Confere viscosidade às superfícies celulares, permitindo o deslizamento de células em movimento, como, por exemplo, as sangüíneas; Apresenta propriedades imunitárias, por exemplo, os glícidos do glicocálix dos glóbulos vermelhos que apresentam os antígenos próprios dos grupos sangüíneos do sistema sangüíneo ABO; Intervém nos fenômenos de reconhecimento celular, particularmente importantes durante o desenvolvimento embrionário. A inibição do crescimento celular por contato depende de glicoproteínas do glicocálice. Se tais proteínas forem perdidas ou modificadas, como acontece em alguns tumores malignos, mesmo o glicocálice ainda existindo, esta função será comprometida; nos processos de adesão entre óvulo e espermatozóide. Os lipídios. Na membrana da célula eucariótica encontramos três tipos de lipídios: fosfolipídios, glicolipídios e colesterol. Todos têm caráter anfipático; isto quer dizer que possuem um comportamento duplo, uma parte da molécula é hidrófila e outra parte da molécula é hidrófoba, do que resulta, em meio aquoso, uma capa dupla lipídica. As proteínas são os componentes da membrana que desempenham as funções específicas (transporte, comunicação, etc). Da mesma forma que os lipídios, as proteínas podem girar ao redor do próprio eixo e muitas podem deslocar-se lateralmente (difusão lateral) pela membrana. As proteínas da membrana são classificadas em: 15 Visão Geral da Célula Membrana Celular Proteínas integrais: estão intimamente ligadas aos lipídios, podem atravessar a camada dupla de lipídios uma ou mais vezes e, por isto, são também chamadas de proteínas de transmembrana. Proteínas periféricas: localizam-se de um lado e de outro da camada bilipídica e estão unidas fracamente às cabeças polares dos lipídios da membrana ou a outras proteínas integrais por pontes de hidrogênio. PROTEÍNAS DA MEMBRANA Enquanto a bicamada lipídica determina a estrutura básica das membranas biológicas, as proteínas são responsáveis pela maioria das funções da membrana, atuando como receptores específicos, enzimas, proteínas transportadoras, entre outras funções. Muitas proteínas da membrana estendem-se através da bicamada lipídica: em algumas dessas proteínas transmembrana a cadeia polipeptídica cruza a bicamada como uma alfa-hélice única (proteínas unipasso); em outras, inclusive naquelas responsáveis pelo transporte transmembrana de íons e pequenas moléculas hidrossolúveis, a camada polipeptídica cruza a bicamada múltiplas vezes, seja como uma série de alfa-hélices, seja como uma folha beta na forma de um barril fechado (proteína multipasso). Outras proteínas associadas a membrana não cruzam a bicamada, mas ao contrário são presas a um ou ao outro lado da membrana. Muitas dessa são ligadas por interações não covalentes a proteína transmembrana, enquanto outras são ligadas através de grupos lipídicos ligados covalentemente. Como as moléculas lipídicas na bicamada, muitas proteínas da membrana são capazes de difundir-se rapidamente no plano da membrana. Por outro lado, as células têm mecanismos para imobilizar proteínas específicas da membrana e para confinar moléculas lipídicas e protéicas a domínios específicos. Veja na figura abaixo as principais funções das proteínas da membrana celular: 16 Visão Geral da Célula Membrana Celular Modelo do mosaico fluído. Com os dados oferecidos pela microscopia eletrônica e as análises bioquímicas foram elaborados vários modelos de membrana. Atualmente o modelo mais aceito é o proposto por Singer e Nicholson (1972), denominado modelo do mosaico fluído. Considera que a membrana é como um mosaico fluído e que a bicamada lipídica é a rede cimentante das proteínas embebidas nela, integrando umas com outras e com os lipídios. Tanto as proteínas como os lipídios podem deslocar-se lateralmente. Os lipídios e as proteínas integrais estão dispostos em mosaico. Poderíamos também dizer que a membrana é formada por um duplo "colchão de lipídios" interrompido por grandes moléculas protéicas que, polarizadas, são capazes de girarem em torno de si mesmas. 17 Visão Geral da Célula Membrana Celular A bicamada lipídica da membrana atua como uma barreira que separa dois meios aquosos, o meio onde vive a célula e o meio interno celular. As células requerem nutrientes do exterior e devem eliminar substâncias de excreção procedentes do metabolismo e manter seu meio interno estável. A membrana apresenta uma permeabilidade seletiva, pois permite a passagem de pequenas moléculas, desde que sejam lipófilas, entretanto regula a passagem de moléculas não lipófilas. ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA Glicocálix ou cobertura celular. O termo cobertura celular ou glicocálix é freqüentemente utilizado para descrever a região rica em carboidratos na superfície celular. Esses carboidratos ocorrem tanto como cadeias de oligossacarídeos ligadas covalente a proteínas da membrana (glicoproteínas) e lipídeos (glicolipídeos), e na forma de proteoglicanos que consistem de longas cadeias de polissacarídeos ligados covalentemente a um núcleo protéico. Eletromicrografia mostrando as vilosidades da membrana plasmática e o Glicocálix 18 Visão Geral da Célula Membrana Celular Esquema do Microcalix em uma célula animal As cadeias laterais de oligossacarídeos são extremamente diversificadas no arranjo de seus açúcares. Essa cobertura de carboidratos ajuda a proteger a superfície celular de lesões mecânicas e químicas e recentemente descobriu-se que oligossacarídeos específicos funcionam como intermediários em diversos processos transitórios de adesão célula-célula, inclusive aqueles que ocorrem em interações espermatozóide-óvulo, coagulação sangüínea, e recirculação de linfócitos em respostas inflamatórias. Interdigitações: "Encaixe" entre as microvilosidades de duas células que têm um papel importante na coesão de células vizinhas. São saliências e reentrâncias da membrana celular que se encaixam em estruturas complementares das células vizinhas. 19 Visão Geral da Célula Membrana Celular - Complexo Juncional: Está presente em vários epitélios próximo à extremidade celular livre, sendo constituído dos seguintes elementos: zônula oclusiva, zônula de adesão e uma fileira de desmossomos. O complexo juncional é uma estrutura de adesão e vedação. A - Zônula de Adesão: É uma formação encontrada em certos epitélios de revestimento, circundando a parte apical das células. Sua estrutura é semelhante à dos desmossomas, porém a zônula de adesão é um cinto contínuo em volta da célula. As suas funções são promover a adesão entre as células e oferecer local de apoio para os filamentos que penetram nos microvilos das células epiteliais com orla em escova. B - Zônula Oclusiva: É uma faixa contínua em torno da zona apical de certas células epiteliais que veda completamente o trânsito de material por entre as células. Outra função da zônula oclusiva, também chamada junção oclusiva, é permitir a existência de potenciais elétricos diferentes, conseqüência de diferenças na concentração iônica entre as duas faces da lâmina epitelial. Microvilosidades: São dobras da membrana plasmática, na superfície da célula voltada para a cavidade do intestino. Calcula-se que cada célula possui em 20 Visão Geral da Célula Membrana Celular média 2.500 microvilosidades, dependendo de sua especialidade. Como conseqüência de sua existência, há um aumento apreciável da superfície da membrana em contato com o alimento. São especializações apicais da membrana. Elas estão presentes na superfície livre das células do intestino delgado, responsáveis pela absorção de nutrientes. Cada célula intestinal deste tipo possui em média três mil microvilosidades. Em 1 mm2 de superfície intestinal, existem cerca de 200 000 dessas especializações. Elas são evaginações permanentes da membrana com o aspecto digitiforme, que ampliam consideravelmente a superfície de contato da célula com os nutrientes vindos da digestão, para melhorar assim a função de absorção intestinal. Desmossomos: São regiões especializadas que ocorrem nas membranas adjacentes de duas células vizinhas. São espécies de presilhas que aumentam a adesão entre uma célula e a outra; as membranas aparecem mais espessas, em forma de linhas densas escuras. No local desse espessamento no citoplasma de cada célula, há um acúmulo de material granuloso. Deste local, irradia-se microfibrilas para o citoplasma, a curta distância. Essas microfibrilas, ou tonofibrilas, são compostas por tonofilamentos. Cada desmossomo tem a forma de uma placa arredondada e é constituído pelas membranas de duas células vizinhas. No desmossomo o espaço de 15 a 20 nm existente entre as membranas permanece inalterado, mas aí surge um material mais denso aos elétrons e que freqüentemente se organiza em um ou mais discos paralelos, que aparecem em linhas nas micrografias eletrônicas. Embora nos desmossomos as membranas não apresentem modificação em sua espessura, observa-se a deposição de uma camada amorfa, eletrodensa, na face citoplasmática de cada membrana. Nesta camada se inserem filamentos intermediários (tonofilamentos) que se aprofundam no interior da célula (em forma de fibrilas). Deste modo, os desmossomos são locais onde o citoesqueleto se prende à membrana celular e ao mesmo tempo, as células aderem umas às outras. A adesão nestes locais é dependente do íon cálcio, sendo abolida quando este íon é abolido. Devido à função de adesão e à sua distribuição descontínua, o desmosomo é também chamado de macula adherens. 21 Visão Geral da Célula Membrana Celular Esquema do Complexo juncional existente entre as células epiteliais do intestino delgado TRANSPORTE DE MOLÉCULAS DE BAIXA MASSA MOLECULAR: O transporte passivo. É um processo de difusão de substâncias através da membrana. O soluto passará sempre a favor do gradiente de concentração, do meio onde existe mais para o meio onde existe menos. Este transporte pode ocorrer por: Difusão simples. A difusão simples é um processo meramente físico. O movimento desordenado das moléculas (que estão em constante agitação) leva a que as moléculas de líquido tenham tendência para se espalharem uniformemente. Logo, as moléculas deslocam-se conforme o seu gradiente de concentração no meio, ou seja, as moléculas que se encontram em zonas de maior concentração deslocam-se para zonas de menor concentração. Este processo físico é uma das formas de entrada e saída de substâncias na célula. Imaginemos por exemplo uma membrana, permeável a uma substância, que faz a separação entre dois meios com concentrações diferentes dessa substância. A substância passa do meio onde a concentração é maior (meio hipertônico) para o meio onde a concentração é menor (meio hipotônico) até chegar a um equilíbrio (isto é, até os meios se tornarem isotônicos). É a passagem de pequenas moléculas a favor do gradiente; pode ocorrer através da bicamada lipídica ou através de canais protéicos. 22 Visão Geral da Célula Membrana Celular a) Difusão simples através da bicamada. Assim entram moléculas lipídicas como os hormônios esteróides, anestésicos como o éter e fármacos lipossolúveis. Também penetram assim substâncias apolares como o oxigênio e o nitrogênio atmosférico. Algumas moléculas polares de pequeno tamanho, como a água, o CO2, o etanol e a glicerina, também atravessam a membrana por difusão simples. A difusão da água (solvente) recebe o nome de osmose. O movimento de moléculas de água (solvente) a partir de uma solução hipotônica para outra hipertônica através de uma membrana semi-permeável denomina-se osmose. b) Difusão simples através de canais. Ocorre mediante as denominadas proteínas de canal. Assim penetram íons como o Na +, K+, Ca++, Cl-. As proteínas de canal são proteínas com um orifício ou canal interno, cuja abertura está regulada, por exemplo, como ocorre com neurotransmissores ou hormônios, que se unem a uma determinada região, o receptor da proteína de canal, que sofre uma transformação estrutural que induz a abertura do canal. c) Difusão facilitada. Permite o transporte de pequenas moléculas polares, como os aminoácidos, monossacarídios, etc, que não conseguindo atravessar a bicamada lipídica, requerem que proteínas trasmembranosas facilitem sua passagem. Estas proteínas recebem o nome de proteínas transportadoras ou permeasas que, ao unirem-se a molécula que irão transportar sofrem uma modificação em sua estrutura que conduz aquela molécula ao interior da célula. O transporte ativo. Esta propriedade permite captar do meio extracelular substâncias necessárias ao metabolismo celular, mesmo quando a sua concentração no meio externo é muito baixa relativamente à do meio interno. Esta propriedade implica um gasto razoável de energia metabólica. Em alguns casos, as concentrações de uma substância no meio extracelular e intercelular variam largamente; para manter esta característica, é necessário que essa substância atravesse a membrana contra o gradiente de concentração, pois, caso contrário, atingir-se-ia por difusão o equilíbrio das concentrações. Neste processo também atuam proteínas de membrana, porém estas requerem energia, em forma de ATP, para transportar as moléculas ao outro lado da membrana. São exemplos de transporte ativo a bomba de Na/K, e a bomba de Ca. 23 Visão Geral da Célula Membrana Celular A bomba de Na+/K+ requer uma proteína transmembranosa que bombeia Na+ até o exterior da membrana e K+ até o interior. Esta proteína atua contra o gradiente graças sua atividade como ATP-ase, pois quebra o ATP para obter a energia necessária para o transporte. Por este mecanismo, são transportados 3 Na+ até o exterior e 2 K+ até o interior, com a hidrólise de ATP. O transporte ativo de Na+ e K+ têm uma grande importância fisiológica. De fato todas as células animais gastam mais de 30% do ATP que produzem (e as células nervosas mais de 70%) para bombear estes íons. Transporte de moléculas de elevada massa molecular: Para o transporte deste tipo de moléculas existem três mecanismos principais: endocitose, exocitose e transcitose. Em qualquer um deles é fundamental o papel que desempenham as chamadas vesículas revestidas. Estas vesículas se encontram rodeadas de filamentos protéicos de clatrina. Este processo permite o transporte de substâncias do meio extra- para o intracelular, através de vesículas limitadas por membranas, a que se dá o nome de vesículas de endocitose ou endocíticas. Estas são formadas por invaginação da membrana plasmática, seguida de fusão e separação de um segmento da mesma. Há três tipos de endocitose: pinocitose, fagocitose e endocitose mediada. 4.1. Endocitose: é o processo pelo qual a célula capta partículas do meio externo mediante uma invaginação da membrana que engloba a partícula que será ingerida. Produz-se a estrangulação da invaginação originando-se uma vesícula que encerra o material ingerido. Segundo a natureza das partículas englobadas, distinguem-se diversos tipos de endocitose. 4.1.1. Pinocitose. Implica a ingestão de líquidos e partículas em dissolução por pequenas vesículas revestidas de clatrina. A clatrina é uma proteína composta por 6 subunidades (3 cadeias pesadas, de 91 kDa, e 3 cadeias leves, de 23-27 kDa) que desempenha um importante papel no processo de formação de vesículas membranares no interior das células eucariontes. Esta proteína forma uma rede poliédrica (em forma de uma bola de futebol), composta por muitas moléculas, que 24 Visão Geral da Célula Membrana Celular reveste a vesícula a medida que ela se forma. Além de ajudar na biogênese de vesículas, a clatrina parece estar envolvida também no processo de endereçamento destas vesículas. 4.1.2. Fagocitose. São formadas grandes vesículas revestidas ou fagossomos que ingerem microrganismos e restos celulares. Endocitose mediada por um receptor. É um mecanismo pelo qual somente entra a sustância para a qual existe o receptor correspondente na membrana. A importação de proteínas específicas para uma célula pode ser efetuada através da ligação destas proteínas à receptores presentes na membrana citoplasmática e posterior inclusão em vesículas. Esta endocitose mediada por receptor possui uma gama de implicações biológicas, pois, é uma forma de enviar metabólitos essenciais para as células, pode modular respostas a hormônios protéicos e fatores de crescimento, funciona como agente seletivo para a captação de proteínas que vão ser degradadas e é uma fonte de entrada para muitos vírus e bactérias nas células. A maioria dos receptores de superfície celular são glicoproteínas transmembrânicas que possuem um grande domínio extracelular, uma ou duas hélices transmembrânicas, e uma pequena região citossólica. Existem, na membrana, regiões especializadas denominadas depressões revestidas onde encontramos muitos dos receptores. A porção citossólica destas depressões é revestida por clatrina, uma proteína destinada a formar redes ao redor de vesículas membranosas. Vários receptores se agrupam nas depressões revestidas esteja ou não presente um ligando, outros dependem da ligação à proteína para se agrupar. 25 Visão Geral da Célula Membrana Celular http://www.icb.ufmg.br/~lbcd/grupo4/endocitose.html Exocitose. É o mecanismo pelo qual as macromoléculas contidas em vesículas citoplasmáticas são transportadas desde o interior celular até a membrana plasmática, para serem vertidas ao meio extracelular. Isto requer que a membrana da vesícula e a membrana plasmática se fusionem para que possa ser vertido o conteúdo da vesícula ao meio. Mediante este mecanismo, as células são capazes de eliminar substâncias sintetizadas pela célula, substâncias de excreção ou mesmo uma egestão ("fezes") celular denominada clasmocitose. Em todas as células existe um equilíbrio entre a exocitose e a endocitose, para manter a membrana plasmática e para manutenção do volume celular. As aquoporinas. O Prêmio Nobel de Química de 2003 foi concedido a dois cientistas norteamericanos cujas descobertas ajudaram a esclarecer como os sais (íons) e a água são transportados para dentro e para fora das células. A existência de canais específicos que transportam água era apenas uma suspeita até meados dos anos 80. Mas foi a partir de 1988 que Peter Agre conseguiu isolar uma proteína da membrana plasmática, que a suspeita tornou-se uma descoberta. Ele descobriu uma classe de moléculas chamadas aquaporinas. 26 Visão Geral da Célula Membrana Celular Dependendo do tecido, as aquaporinas têm funções e regulações diferentes. Agre não só descobriu esses canais que deixam passar apenas água para dentro e para fora das células, como também decifrou a estrutura e o funcionamento desses canais presentes em todo tipo celular. Agre usou glóbulos vermelhos para identificar a proteína que controla o fluxo de água para dentro e fora das células. Determinou a seqüência da proteína, do gene que a codifica. Introduziu o gene em oócitos de sapo (Xenopus laevis) e mostrou que essas células, em água, "explodiam" (turgor) mais depressa que as demais. Acabou provando que ela, na verdade, uma família que hoje é constituída por onze aquaporinas, controla o entra-e-sai de água nas células. Foi também em 1988 que Roderick MacKinnon surpreendeu a comunidade científica ao determinar a estrutura espacial para o canal de potássio, através da cristalografia. Graças a MacKinnon, hoje é possível visualizar os íons fluindo através dos canais de potássio, que podem ser abertos e fechados por diferentes sinais celulares. Peter Agre, 54 anos, natural de Northfield, Minnesota, é atualmente professor de Química Biológica e de Medicina na Faculdade de Medicina do Hospital Johns Hopkins em Baltimore. Roderick MacKinnon, 47 anos, é cidadão norte-americano naturalizado, e, presentemente, é professor de Neurobiologia Molecular e Biofísica na Universidade Rockfeller, em Nova Iorque. 27 Visão Geral da Célula Membrana Celular Resumindo os trabalhos e as atividades, diríamos que Agre, da Universidade Johns Hopkins, usou glóbulos vermelhos para identificar a aquaporina, proteína que controla o fluxo de água para dentro e fora das células, enquanto Mackinnon, da Universidade Rockefeller, usou a cristolografia de raios X para revelar a estrutura dos canais de íons de potássio. São proteínas específicas, especializadas em controlar a entrada e saída de água e de íons de cálcio, potássio, sódio e cloro das células de todos os seres vivos. São fundamentais e tão antigas quanto a vida. Os canais de água e de íons decifrados pela dupla são responsáveis pela manutenção de mecanismos básicos do organismo humano, como os impulsos nervosos, constância dos batimentos cardíacos e a reabsorção de água pelos rins. As aquaporinas são canais transportadores de água presentes nas membranas plasmáticas de tecidos permeáveis. São "canais protéicos" que regulam e facilitam o transporte de moléculas de água através das membranas celulares, o que é um processo essencial para todos os organismos vivos. São proteínas muito importantes em tecidos onde o transporte de água é muito rápido, como o epitélio secretório ou absorvente em glândulas lacrimais. Já na superfície externa da pele, que não é permeável à água – senão nos afogaríamos ao nadar –, não há aquaporinas. Também não ocorrem nos neurônios, apesar dos mesmos terem água. Uma questão a resolver é se há canais de água no intestino. São poros passivos. Se a água quer entrar na célula, a aquaporina a deixa entrar. O mesmo ocorre se ela quiser sair. O sentido do movimento é dado pelo gradiente osmótico (diferença da concentração de sais dentro e fora da célula). Nas vias aéreas, quando os canais de 28 Visão Geral da Célula Membrana Celular sódio deixam o íon sódio sair, a água segue o fluxo através das aquaporinas passivamente, quase sem resistência. A mesma coisa acontece nas glândulas sudoríparas e nas salivares. Parece que o terceiro membro da família, a aquaporina 3, se fecha quando o pH (grau de acidez) está baixo – quando os tecidos entram em acidose, o poro está fechado. Já no duto coletor, na região terminal dos rins – importante quando estamos desidratando –, a aquaporina é controlada através do seu tráfego. Em condições normais, ela é mantida dentro da célula, porém, quando o organismo precisa de água, o hormônio antidiurético é lançado na circulação e leva à inserção das aquaporinas nas membranas dessas células renais. Isso faz com que a água seja reabsorvida para o sangue e não eliminada na urina. Seleciona as moléculas de água pelo tamanho e pela carga elétrica. A água é uma das menores moléculas da natureza. Como o canal é ajustado para esse tamanho, nada maior consegue entrar. Todas as formas de vida possuem aquaporinas, embora haja alguns genomas microbianos que parecem não ter essas proteínas. Os três domínios celulares da vida, eucariotas, procariotas e arqueobactérias, têm aquaporinas. Logo, essa família de proteínas surgiu há muito tempo. A descoberta dos canais de água, batizados como "poros de água" ou proteínas aquaporinas, marca a época de ouro dos estudos bioquímicos, fisiológicos e genéticos desses canais protéicos em bactérias, plantas e mamíferos, e de uma compreensão fundamental - em nível molecular - da associação do mau funcionamento dos canais a muitas doenças renais, do sistema músculo-esquelético e de outros órgãos. Os cientistas procuram, a partir desse conhecimento básico, drogas que têm como alvo específico os defeitos nos canais de água. Daí para à prática, isto é, à terapêutica, se mostrando otimista com relação às novas descobertas que a ciência poderá fazer a partir dos "poros de água", quanto a identificação de mau funcionamento de órgãos como os rins e o próprio coração. 29
