Adipócito Multilocular A mitocôndria deste tipo celular possui uma peculiaridade importante : a sua membrana interna é rica na proteína termogenina. Essa proteína permite o fluxo retrógrado de prótons ; em vez de utilizá-los na síntese de ATP, produz calor. Os animais hibernantes armazenam gorduras que os protegem do frio no inverno; para isso apresentam bastante tecido adiposo multilocular capaz de gerar calor e funcionar como isolante térmico. FIGURA 3 Neurônio As mitocôndrias dos neurônios estão concentradas basicamente em duas partes diferentes da célula : no corpo celular, que precisa de energia para sintetizar proteínas para toda a célula, e no terminal axônico. Na sinapse, ocorre a fusão de vesículas contendo o neurotransmissor com a membrana FIGURA - plasmática e a reciclagem de membrana, processos dependentes de PROCURAR mediadores como o Ca2+ e de transporte ativo. Cada hepatócito apresenta mais de 800 mitocôndrias, cada qual com inúmeras cristas, o que potencializa a produção energética. Os hepatócitos Hepatócito mais próximos à veia centrolobular contém mais mitocôndrias que os da periferia do lóbulo, pois são mais ativos. O hepatócito possui inúmeras funções importantes na homeostase do organismo : síntese protéica, secreção da bile, acúmulo de reservas energéticas e vitamina A, FIGURA metabolismo de diversas substâncias e neutralização de moléculas tóxicas. A mitocôndria atua tanto na produção de energia como diretamente na função de metabolização, através da produção de agentes oxidantes. Patologia A mitocôndria pode ser sede de diversas patologias. As anomalias podem ser estruturais ou simplesmente funcionais. Algumas das anomalias são genéticas, enquanto outras são secundárias. As anomalias com herança genética são passadas de mãe para filho, afetando ambos os sexos igualmente. Os efeitos sistêmicos mais notáveis são os neurodegenerativos, musculares (principalmente fraqueza) ou decorrentes de disfunções metabólicas por excesso de ácido láctico. É importante ressaltar o fenômeno da heteroplasmia nas doenças mitocondriais, ou seja, os pacientes apresentam variação nos sintomas a depender da quantidade de mitocôndrias normais e mutantes em suas células, já que o óvulo que "carrega" as mitocôndrias mutantes também possui mitocôndrias normais. As encefalomiopatias mitocondriais funcionais são diversas e raras. A falha pode estar na utilização do substrato, no acoplamento da oxidação e produção de ATP ou na cadeia respiratória. Ao ME a célula muscular esquelética mostra-se repleta de mitocôndrias; a duplicação excessiva das mitocôndrias é uma tentativa de superar o déficit energético nesta patologia, assim como em qualquer outra condição fisiológica ou patológica de déficit energético na célula. A febre mitocondrial é uma anormalidade funcional no acoplamento da oxidação com a produção de ATP em que a mitocôndria produz pirncipalmente energia térmica, e não química. O paciente demonstra quadro crônico, que se manifesta logo na infância, de febre, aparência magra, sudorese excessiva e intolerância ao calor. É importante distingui-la do hipertireoidismo. O mitocondrioma é uma anormalidade estrutural encontrada em tumores específicos das glândulas salivares e ocasionalmente no fígado. Caracteriza-se por um descontrole da duplicação mitocondrial, tornando o citoplasma repleto da organela e comprimindo as outras estruturas celulares. O mecanismo ainda é desconhecido. Teorias recentes sugerem que a anormalidade deve ser enquadrada como um tumor benigno das mitocôndrias. O depósito de cálcio é achado frequente e não patológico nas mitocondrias dos osteoblastos. A disfunção dos hormônios calcitonina e paratormônio provoca hipercalcemia sanguínea que reflete-se em um excesso de cálcio citoplasmático que pode depositar-se na mitocôndria, causando danos ao rim e coração. A célula pode tornar-se repleta de cálcio e morrer. Algumas anormalidades estruturais podem ser causadas por intoxicação por substâncias, como álcool, quelantes, reserpina e quadros patológicos, como hipofisectomia, hepatites virais e deficiência nutricionais. Pode-se perceber alterações ao ME como mitocôndrias de formas bizarras, gigantes e vaculolizadas. No entanto, nenhuma patologia mitocondriais. O foi atribuída hipertireoidismo diretamente produz um às aumento alterações global da concentração de mitocondrias nas células, pois os hormônios T 3 e T4 estimulam a proliferação e aumento da atividade das mitocôndrias. Síntese e Secreção de Macromoléculas Introdução: A necessidade de síntese das células A Síntese Protéica depende dos genes presentes no DNA de cada célula e de todo um aparato enzimático necessário para a transcrição e tradução. No processo de diferenciação celular, fatores de crescimento e diferenciação, hormônios, neurotransmissores e fatores da matriz extracelular podem induzir uma cascata de sinais intracelulares que alteram a expressão gênica da célula. Isso é controlado por fatores de transcrição que ativam ou reprimem diferentes genes. Assim, após esse processo, um hepatócito expressará genes diferentes daqueles expressos em um neurônio. A transcrição depende de enzimas que produzirão o RNA mensageiro a partir do DNA. O RNA mensageiro migrará através do complexo de poros nucleares para o citoplasma, onde ocorrerá a síntese protéica. . Renovação das estruturas celulares A célula está constantemente renovando seu sistema de endomembranas. A permanente produção de membranas tem como objetivo suprir as demandas funcionais, renovar as membranas desgastadas pelo envelhecimento ou duplicá-las antes da mitose. Para isto é necessário a síntese de lipídios, proteínas e hidratos de carbono. Estas moléculas se incorporam à membrana do Retículo Endoplasmático (RE); à medida que o sistema de endomembranas se desenvolve, porções do RE se desprendem, na forma de vesículas que se fundem a outras organelas membranosas. Algumas proteínas de membrana são sintetizadas no citoplasma e transferidas para organelas específicas. . Sistema de Endomembranas O Sistema de Endomembranas é um dos maiores compartimentos celulares. É composto por comunicam através de cisternas, sáculos e túbulos que se vesículas transportadoras. Uma vesícula transportadora brota da membrana da organela doadora, trafega pelo citosol e se funde na membrana da organela receptora; deste modo, não só o conteúdo da vesícula, mas também a sua membrana, são transferidos à organela receptora. As organelas que compôem o Sistema de Endomembranas são formadas por membranas bilipídicas similares à Membrana Plasmática. São elas: Retículo Endoplasmático Rugoso, Retículo Endoplasmático Liso, Complexo de Golgi, Endossomas, Lisossomas e Peroxissomas. A parte externa da membrana de cada organela, relacionada com o Citosol, é chamada face citosólica e a interna, face luminal. Retículo Endoplasmático Rugoso (RER) O é composto por uma rede tridimensional de túbulos e cisternas interconectados, que vai desde a membrana nuclear (a cisterna do RE é contínua com a cisterna perinuclear) até a membrana plasmática. É dividido em dois setores: RERugoso -- com poliribossomas aderidos à face citosólica -- e RELiso -- que além de não possui polirribossomas aderidos, apresenta diferente composição protéica e enzimática de sua membrana e conteúdo. A ligação de polirribossomas à superfície citosólica do RER é feita através de proteínas integrais: . Docking protein (partícula receptora de reconhecimento de sinal) . Riboforinas I e II (proteínas receptoras do ribossoma) . Proteína do Poro A presença de polirribossomas no RER possibilita sua função: síntese de proteínas. Por isto ele e tão desenvolvido em células com intensa síntese protéica, destinada à exportação ou a organelas Clique na foto para vê-la em maior aumento com membrana. Além disso, o RER também participa de modificações pós-traducionais protéicas: sulfatação, pregueamento e glicosilação. Retículo Endoplasmático Liso (REL) As células realizam que possuem REL mais desenvolvido intensa atividade de síntese de esteróides, colesterol e triglicérides, armazenam glicogênio ou possuem atividade de desintoxicação (ex.: hepatócito). As enzimas necessárias ao metabolismo de lipídios e açúcares estão associadas à membrana do REL ou em seu lume. Além disso, o REL tem importante função no controle do Ca2+ intracelular. Nas fibras musculares estriadas, onde a liberação de Ca2+ para o citossol é essencial para o mecanismo de contração das miofibrilas, mecanismos ativos de transporte associados à membrana do REL possibilitam a rápida movimentação do Ca2+ para fora e para dentro de suas cisternas. Complexo de Golgi (CG) é um sistema de cisternas achatadas e ligeiramente curvas, que se situam entre o RE e a Membrana Plasmática (MP). O CG possui uma face cis (convexa), voltada para o núcleo, e uma face trans (côncava), voltada para a membrana plasmática. Entre elas estão as cisternas medianas. As moléculas protéicas chegam ao CG pela incorporação de vesículas de transporte, advindas do RER, na face cis. Daí migram, também através de vesículas transportadoras, para as cisternas medianas e, finalmente para a cisterna trans, de onde serão endereçadas à MP, aos lisossomas, ao RE ou ao próprio Golgi. O CG modifica as proteínas produzidas pelo RER, alterando seu padrão de glicosilação, fosforilação, sulfatação e hidroxilação. Além disso, enzimas associadas à membrana do CG concentram e endereçam -bioquimicamente -- estas proteínas para os diferentes compartimentos membranares. Assim, vesículas contendo as hidrolases ácidas, que formarão os lisossomas, expressarão em suas membranas o receptor de manose-6-fosfato. As vesículas brotam do Complexo de Golgi recobertas por clatrina ou outras proteínas que se conectam com o domínio citosólico das proteínas transmembranares características de cada vesícula (por ex.: manose-6-fosfato na membrana de lisossomas). Os triesquelions de clatrina (complexo protéico constituído de três cadeias pesadas e três cadeias leves) se autoconstroem, induzindo, na face citosólica da membrana do CG, a força mecânica que provoca a sua invaginação. Inicialmente forma-se uma fosseta, que em seguida se converte em uma vesícula, que destaca e é liberada no citosol. Fotomicrografia eletrônica de transmissão de célula folicular de ovário de S. spilopleura. Ver Complexo de Golgi e cisternas do Retículo Endoplasmático Rugoso dilatadas. Sinais relacionados ao Complexo de Golgi As proteínas depois de endereçadas e encapsuladas em vesículas, podem 1 2 3 seguir os seguintes caminhos: Inserir-se à MP, se contiverem proteínas (ou lípides) com domínios de ancoragem na membrana plasmática. Fundir-se à MP e promover a exocitose do seu conteúdo, se contiverem proteínas destinadas ao meio extracelular. Acomodar-se no citoplasma, como grânulos de secreção, para posteriormente serem exocitados. 4 Formar lisossomas que poderão se fundir com endossomas. 5 Voltar às Cisternas Cis do CG. 6 Fundir-se ao RE, tranferindo a este proteínas processadas no CG. Desta forma, classificados os mecanismos em de secreção duas celular vias podem ser distintas: A Via Secretória Regulada controla o transporte de proteínas destinadas aos lisossomas(4) e para vesículas secretoras(3). A liberação destas proteínas depende da ordenação de uma substância indutora. A Via Secretória Constitutiva, ou Padrão, não tem um processo regulador próprio, as moléculas são secretadas automaticamente. É seguida pelas proteínas destinadas à MP(1) e ao meio extra-celular(2). Compartimento Endossômico O Compartimento Endossômico é o conjunto de vesículas endocíticas mais ou menos próximas da membrana plasmática. Os Endossomas são vesículas formadas pelos mecanismos de endocitose (micropinocitose, pinocitose e fagocitose). De acordo com as proteínas associadas à face citossólica das vesículas, elas podem migrar através do citoesqueleto para regiões mais internas da célula, associando-se a lisossomas e formando endossomas secundários. Algumas vesículas endossômicas podem voltar à membrana plasmática, reciclando assim receptores e fosfolipídios. Nos endossomas secundários, as enzimas hidrolíticas dos lisossomas podem ser ativadas (pH ácido) e digerir o material endocitado. Endossomas tardios contêm material já parcialmente ou totalmente digerido. Corpos residuais são formados pelo acúmulo de substâncias que as enzimas da célula não conseguem digerir. Síntese Protéica A síntese, ou tradução protéica, é um processo que requer um filamento de RNA mensageiro (RNAm), RNA´s transportadores e subunidades ribossômicas. As subunidades ribossômicas associam-se ao RNAm, formando o Polirribossoma, estrutura composta de uma fita de RNAm e cerca de 15 ribossomos aderidos, que possibilita a síntese de um grande número de moléculas protéicas ao mesmo tempo. Fotomicrografia eletrônica de transmissão de célula rica em polirribossomas livres. CEMEL - ICB Cortesia da Profa. Rossana C. N. Melo - Laboratório de Biologia Celular - UFJF Tese: Desnervação simpática, inflamação e parasitismo no coração de ratas infectadas experimentalmente por Trypanosoma cruzi: efeitos da irradiação gama e do tratamento com sílica na infecção aguda. Departamento de Morfologia UFMG A constituição da proteína sintetizada depende diretamente do código genético, revelado no RNA pela sequência de códons. Estes são trincas (tríplets) de nucleotídeos que se relacionam especificamente com os 20 aminoácidos usados na síntese de proteínas. O número de códons na fita de RNAm determina o tamanho da proteína. Existem, ao todo, 64 códons. Como existem mais códons (64) que aminoácidos (20), quase todos os aminoácidos podem ser reconhecidos por mais de um códon, isso porque algumas trincas de nucleotídeos atuam como sinônimos. O local onde ocorre a síntese protéica está relacionado com o destino da proteína produzida: Um Peptídios Sinal, pequena sequência de aminoácidos na porção N-terminal ou C-terminal da proteína, vai endereçar a proteína a diferentes locais das células. Assim, proteínas destinadas ao núcleo celular, às mitocôndrias e aos peroxissomos são sintetizadas em Polirribossomas livres. As proteínas que precisam ser empacotadas e enviadas para fora da célula (proteínas de superfície da Membrana Plasmática, ou que constituirão o conteúdo dos lisossomas e de outros componentes do sistema de endomembranas) serão sintetizadas no RER. Síntese de proteínas destinadas ao Citosol O processo de síntese protéica se inicia quando a subunidade pequena do ribossoma se associa à fita de RNAm. Ela tem dois sítios ativos: P (de peptidil) e A (de aminoacil). No sítio P, onde o RNAm exibe o códon AUG iniciador, se liga um RNAt iniciador, com seu aminoácido associado: metionina. Neste momento a subunidade ribossômica grande se liga ao complexo inicial, e um segundo peptidil RNAt (RNAt associado a um aminoácido) se liga no sítio A. Uma ligação peptídica, com a formação de pontes de hidrogênio e liberação de uma molécula de água, é estabelecida entre os dois aminoácidos carreados pelo RNAt. O sítio P do ribossoma deixa, então, "escapar" o RNAt iniciador e o RNAt que ocupava o sítio A se move para o sítio P vago. O ribossoma move-se um códon abaixo do RNAm, de modo que o próximo códon é posicionado no sítio A. Esse mecanismo se repete inúmeras vezes, enquanto o ribossoma se move ao longo da cadeia de RNAm, na direção 5` --> 3`, proporcionando o elongamento da cadeia protéica. A síntese de polipeptídeos continua até que o ribossoma encontra um códon de terminação, que determina o fim da síntese protéica e a liberação da nova cadeia de polipeptídeos. Uma vez que a síntese é completada, as duas subunidades ribossômicas se dissociam do mRNA e retornam ao citosol. Regulação da Síntese Protéica A síntese de proteínas pode ser dividida em três etapas: iniciação, elongamento e terminação. A etapa de iniciação é regulada por proteínas citosólicas denominadas fatores de iniciação (IF). Os IF-2, IF-3 e IF-4 agem no reconhecimento do RNAm pelo subunidade menor do ribossomo, e sua ligação ao RNAm. Um outro fator de iniciação, IF-5, media a ligação das duas subunidades ribossômicas no RNAm, ao final da etapa de iniciação, após o desligamento dos outros IF´s. A etapa de elongamento começa quando o segundo peptidil RNAt se aproxima do sítio A do ribossomo, se unindo ao RNAm. Esta reação é mediada por um fator de elongamento, chamado EF-1 e consome energia, que é fornecida por GTP. Um outro fator de elongamento, EF-2, é responsável pela translocação, isto é, o deslocamento do ribossomo pelo RNAm. A etapa de terminação determina a conclusão da síntese da proteína, quando o ribossoma atinge o códon de terminação (UAA, UGA ou UAG). Isto faz com que o sítio A seja ocupado por um fator de terminação: eRF-1, impedindo a ligação de um outro RNAt. Depois disto ocorre o desprendimento do polipeptídeo, que depende do eRF-3, outro fator de terminação. Síntese de proteínas destinadas ao RER As primeiras etapas da síntese de uma proteína ocorrem sempre em ribossomas livre no citosol, mesmo se ela for destinada ao RER. A ligação do ribossoma ao RER se dá logo após o início da tradução, quando emerge, da proteína em construção, um peptídeo sinal. Este direciona e possibilita, através de sua ligação à partícula de reconhecimento do sinal, a união do complexo ribossomo-proteína ao RER. Desta forma, toda proteína que contém um peptídeo sinal é liberada na luz do RER, depois de concluída a sua síntese. As proteínas destinadas à inserção na membrana do RER também possuem sinais específicos. Além do peptídeo sinal, possuem um ou mais sinais adicionais, que possibilitam a ancoragem (sinal de ancoragem) e a situação destas proteínas transmembranas, quer sejam elas monopasso (atravessam a membrana bilipídica apenas uma vez) , bipasso(atravessam a membrana 2 vezes) ou multipasso (atravessam a membrana múltiplas vezes). De acordo com a natureza da proteína, ela permanecerá na membrana do RER, ou passará, através do sistema de vesículas, para outra organela (CG, endossoma) ou à MP. . Glicosilação de Proteínas Para cada proteína, especificamente, existem reações importantes "pós-traducionais", que concluem sua moldagem e a torna pronta estruturalmente e funcionalmente. Estas reações ocorrem no interior do CG, nas suas regiões Cis, Mediana e Trans. As principais modificações pós-traducionais realizadas no CG estão listadas abaixo: Remoção de CIS Manoses Fosforilação de Manoses Remoção de MEDIANA Manoses Glicosilação Terminal Sulfatação e TRANS fosforilação de aminoácidos Endereçamento de proteínas Os intinerários seguidos pelas proteínas dependem de certos sinais em suas moléculas e de receptores específicos distribuídos nos locais por onde elas passam. É isto que faz, por exemplo, uma enzima hidrolítica, recém sintetizada, se dirigir ao endossoma e não à superfície celular. O quadro abaixo apresenta alguns sinais envolvidos no transporte de proteínas pelo sistema Sinal Do RER para o complexo de Golgi e retorno ao RE KKXX GPI Do complexo de Golgi para a membrana plasmática (secreção) Manose-6-fosfato YQRL NPXY endomembranas: Transporte KDEL Várias L e Y de Do complexo de Golgi para os lisossomas (enzimas hidrolíticas) Da membrana plasmática para os endossomas (endocitose) D: ácido aspártico; E: ácido glutâmico; K: leucina; N: asparagina; P: prolina; Q: glutamina; R: arginina; Y: tirosina; X: qualquer aminoácido; GPI: glicosilfosfatidilinositol. . Síntese de lipídios, fosfolipídios e esteróides A síntese de fosfolípides para as membranas celulares é feita por proteínas integrais da membrana do REL. Algumas moléculas de fosfolípides, depois de sintetizadas pelas enzimas do REL, são completadas no CG. Só então atingem as membranas celulares. O transporte dos fosfolípides às membranas celulares é feito através de vesículas transportadoras ou por proteínas transportadoras especiais, que atravessam o citosol, translocando o fosfolípide, sempre, de uma membrana rica em fosfolípide (REL) , para outra (por.ex.: peroxissoma), pobre em fosfolípides. Durante este transporte as moléculas de fosfolípides sofrem inúmeras alterações, o que explica composição lipídica das diversas membranas A produção de hormônios esteróides, nas células a diferente celulares. gonadais e supra-renais, inicia-se com a captação do colesterol do meio extracelular. O colesterol é, então, transportado até a mitocôndria, onde é convertido em pregnenolona. Esta sai da mitocôndria e penetra no RE, onde continua seu metabolismo por meio de diversas enzimas que atuam sequencialmente, para formar a desoxicorticosterona, o desoxicortisol e o andrógeno androstenediona. O desoxicorticosterona e o desoxicortisol retornam à mitocôndria, onde serão convertidos, respectivamente em corticosterona e cortisol. Posteriormente, a corticosterona, nas células da zona glomerulosa da supra-renal, o corticosterol é convertido no mineralocorticóide aldosterona. Chaperoninas As Chaperoninas são monômeros que se associam entre si, formando uma estrutura tridimensional denominada Chaperona. Cada Chaperona possui um compartimento central, que acomoda a proteína recém-sintetizada, impedindo que esta tenha um dobramento prematuro e de forma inadequada. Assim, as Chaperonas ajudam as proteínas a se moldar, associar a outras proteínas de maneira estável e tornarem-se estruturas ativas, evitando a associação de proteínas ainda não dobradas corretamente. Também atuam ativamente, com hidrólise de ATP e modificação conformacional de algumas proteínas. Existem diferentes famílias protéicas de Chaperonas, como a hsp 70 e hsp 60. Elas têm este nome (hsp = heat shock protein) porque são sintetizadas em grande quantidade quando a célula é submetida a altas temperaturas (> 42o C) e situações de estresse metabólico, quando a maioria das proteínas celulares são desnaturadas. Em tais circunstâncias, as chaperonas agem facilitando a renaturação protéica. Estas famílias se diferem entre as organelas celulares. As hsp70 mitocondriais, por exemplo, são diferentes das do citosol. No RER uma hsp70 especial (BIP) ajuda a dobrar as proteínas neste compartimento. A hsp60 tem forma de barril, por onde passam as proteínas que serão modificadas. A hsp 70 atua ainda na primeira fase de formação da proteína, ligando-se a fitas com sequência hidrofóbica antes mesmo da proteína deixar o ribossoma As Chaperonas ao realizar sua função consumem energia na forma de ATP. Depois que a proteína se libera da chaperona e fixa sua residência no Citosol, a chaperona fica livre, podendo ser reutilizada. . Características morfológicas de algumas células secretoras A ultra-estrutura das células com intensa atividade protéica varia de acordo com o destino das proteínas sintetizadas. Veja no quadro abaixo alguns exemplos: Célula Função Principal Secreção ativa de proteínas Eritroblasto citosólicas (Hemoglobina para transporte de O2) Características morfológicas - Citoplasma ocupado, em grande parte, por polirribossomas livres -Núcleo vesiculoso -Grande volume de RER com Plasmócito Secreção direta de proteínas. cisternas dilatadas (Anticorpos) - CG desenvolvido - Ausência de grânulos de secreção Síntese de proteínas e sua Eosinófilo estocagem em grânulos que permanecerão no interior da célula. Célula Acinosa do Pâncreas - Núcleo vesiculoso - Citoplasma preenchido por grânulos de armazenamento. Síntese e acúmulode -Preenchida por grânulos de grânulos de secreção, armazenamento (zimogênio) posteriormente exportados -Região basal rica em RER por exocitose. (Enzimas Digestivas) Célula Secretora de Produção de moléculas Hormônios Esteróides lipossolúveis. -Grande volume de REL, mitocôndrias com cristas tubulares -Núcleo Basal Células Caliciformes Produção de muco Intestinais glicoprotéico. -Ápice preenchido por grânulos de glicoproteínas -Grande volume de C. Golgi e RER Vesículas Secretórias com grãos de Zimogênio- Secreção Serosa Eletromicrografia elaborada por Ramon Lamar de Oliveira Junior, aluno de Mestrado da PG em Biologia Celular. Orientador : Nilo Bazzoli . Laboratório de Ictiohistologia Vesículas do Complexo de Golgi - Secreção Mucosa CEMEL - ICB