Organização da célula eucariótica

Prof. Doutor Pedro Silva

Professor Associado, Universidade Fernando Pessoa

Sumários das aulas (2001) e ligações úteis

Os apontamentos seguintes são resumos das aulas 7 a 10. Não são necessariamente completos, não substituindo portanto os apontamentos que os alunos devem elaborar por si próprios.
 

MEMBRANA CELULAR

È constituída por uma dupla camada fosfolipídica.  As porções polares dos fosfolípidos contactam o solvente aquoso e as suas longas porções hidrofóbicas  situam-se no interior da membrana, longe da água. Na membrana encontram-se proteínas de dois tipos:

• periféricas - encontram-se associadas à superfície da membrana, normalmente por interacções não covalentes. Não atravessam a membrana. Muitas vezes podem ser removidas por tratamento das membranas com concentrações crescentes de sal, que enfraquecem as ligações iónicas entre estas proteínas e os fosfolípidos e/ou outros componentes membranares.
• integrais  - encontram-se profundamente embebidas na membrana, atravessando-a e  contactando simiultaneamente com o citoplasma e com o meio extracelular. A sua remoção exige a utilização de detergentes.

A pH fisiológico, as macromoléculas que se encontram no Fluido IntraCelular (FIC) possuem na sua quase totalidade carga negativa. Para contrabalançar estas cargas negativas, o FIC possui também elevadas concentrações de catião potássio (K+). A grande concentração destes solutos no FIC significa que se o Fluido ExtraCelular (FEC) não contivesse solutos, haveria uma grande tendência para a água se mover do FEC para o FIC, provocando aumento do volume celular para além da elasticidade da membrana, i.e., ruptura membranar e consequente morte da célula (choque osmótico). O FEC deve possuir portanto solutos em quantidade suficiente para evitar a ocorrência de choque osmótico. Os solutos mais abundantes no FEC são o catião sódio (Na+) e o anião cloreto (Cl-). No entanto, os iões inorgânicos têm uma certa facilidade em atravessar a membrana, e portanto existe uma tendência para as suas concentrações se tornarem iguais no FEC e no FIC. Como as macromoléculas não atravessam facilmente a membrana e ficam retidas dentro da célula isto significa que na situação de equilíbrio existe maior concentração de solutos no FIC do que no FEC, o que mais uma vez provoca choque osmótico. A célula deve portanto possuir mecanismos que evitem o choque osmótico.  Em células animais, existe uma proteína cuja função é manter as concentrações de iões inorgânicos longe da posição de equilíbrio, evitando assim a sua acumulação no FIC e posterior choque osmótico: a bomba de Na+/K+ ( Na+-K+ ATPase).
A bomba de Na+/K+ é uma proteína mebranar cuja função é expulsar Na+ do FIC e recolher K+ do FEC. Para realizar este trabalho é necessária energia, porque a proteína vai ter de transportar os iões de zonas em que se encontram em baixas concentrações para zonas em que se encontram em grandes concentrações, i.e. contra a sua “tendência natural”. Esta energia é fornecida pelo ATP. O mecanismo da bomba é o seguinte:

• Na+ liga-se à proteína na face citoplasmática da bomba.
• ATP fosforila a bomba, induzindo uma mudança conformacional.
• Na nova conformação, o Na+ fica voltado para o FEC e não para o FIC. A proteína perde afinidade para o sódio, que se desliga e se difunde no FEC.
• Nesta nova conformação, a bomba tem grande afinidade para o K+, que se liga à proteína na face extracelular da bomba.
• A proteína é desfosforilada, voltando à conformação inicial, com baixa afinidade para o potássio e com os locais de ligação de iões voltados para o citoplasma. O K+ difunde-se então para o FIC, e o ciclo reinicia-se.

O processo gasta bastante energia (cerca de 1/3 do ATP total produzido pela célula em alguns casos), e tem como resultado a translocação de 3 mol Na+ para o FEC e de 2 mol de K+ para o FIC por cada mol de ATP hidrolizada.
Além da sua óbvia utilidade na manutenção do volume celular, os gradientes de Na+ e K+ têm também outras funções, p.ex. a transmissão do impulso nervoso em células nervosas e o fornecimento de energia para transporte activo.
 

Transporte através da membrana

A natureza hidrofóbica do interior da membrana cria problemas à difusão de moléculas de interesse biológico através delas, uma vez que muitas destas são hidrofílicas. Os lípidos, gases e as vitaminas lipossolúveis atravessam facilmente a membrana sem necessidade de mecanismos de transporte (difusão simples), mas as outras substâncias necessitam quase sempre de mecanismos específicos para a sua translocação. Estes mecanismos podem ser de vários tipos:

• difusão facilitada: Difusão em que intervêm moléculas transportadoras. Como em qualquer difusão, as moléculas movem-se segundo o seu gradiente de concentração,i.e., das zonas em que estão em grande concentração para as zonas em que a sua concentração é baixa. Atravessam a membrana através de porinas (proteínas integrais com estrutura semelhante a um tubo que atravessa a membrana de uma face à outra) ou poros. O transporte de substâncias também pode ser feito através de canais. Estes distinguem-se dos poros por não se encontrarem permanentemente abertos. Só abrem mediante estímulos específicos (um choque mecânico, uma mudança de potencial eléctrico, a ligação de uma molécula específica, etc.)
• Transporte activo. As moléculas movem-se contra o seu gradiente de concentração. É portanto um mecanismo que necessita de energia. Esta pode ser fornecida pelo ATP (ex. a bomba de Na+/K+) ou por outras formas.

Qualquer dos métodos pode ser utilizado para transportar mais do que uma espécie ao mesmo tempo. Neste caso, se as duas espécies se movem na mesma direcção fala-se de simporte. Se se movem em direcções opostas trata-se de um antiporte. O gradiente de Na+  é muitas vezes utilizado para realizar um simporte de açúcares para dentro da célula. Neste caso, a energia do gradiente de Na+ é utilizada para transportar os açúcares contra o seu gradiente de concentração (simporte activo).

Algumas bactérias produzem ionóforos: substâncias hidrofóbicas com locais de ligação a iões e com grande facilidade de se difundir através da membrana. Em alguns casos os ionóforos formam poros através da membrana. Estas substâncias são antibióticos potentes, pois destroem os gradientes iónicos necessários para a manutenção das funções celulares.

Pinocitose: na superfície das membranas existem zonas revestidas com clatrina (poços revestidos). Muitas vezes estas zonas possuem também receptores específicos para proteínas transportadoras de sustâncias importantes (ex. colesterol ou ferro). Estas zonas têm grande tendência a invaginar (capturando assim porções do FEC) formando pequenas vesículas que, após perderem o seu revestimento de clatrina, se fundem com endossomas primários. Passado pouco tempo, encontram-se em endossomas perinucleares e após fusão com lisossomas ocorre a degradação dos conteúdos das vesículas. O ambiente acídico dos endossomas promove a separação dos receptores, que podem depois voltar à superfície para outro ciclo.
A fagocitose ocorre em macrófagos e neutrófilos. É um processo estimulado, ao contrário da pinocitose,que é constitutiva.
 

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO (R.E.)

• Liso (REL): produz os lípidos de que a célula necessita.
• Rugoso (RER):  síntese proteica. Possui ribossomas na sua superfície, oque lhe confere o seu aspecto característico.

A síntese proteica inicia-se no citosol, por ribossomas livres. As proteínas que devem transitar pelo retículo possuem no seu N-terminal uma sequência específica de aminoácidos, que serve como sinal. Esta sequência é reconhecida por um complexo (a particula de reconhecimento do sinal-SRP) constituído por seis cadeias polipeptídicas e um RNA. A ligação da SRP à cadeia nascente pára a tradução do mRNA. Na superfície do RER existe um receptor específico que reconhece o conjunto ribossoma-mRNA-cadeia nascente-SRP.  O ribossoma encontra-se agora ligado ao RER, e a ligação do conjunto ao receptor promove a saída da SRP, possibilitando a continuação da tradução.  A cadeia nascente entra no interior do RER através de poros específicos. No interior do RER,  a maioria das proteínas vai ser glicosilada. É também no RER que se formam as pontes dissulfureto, num processo assistido pela isomerase dos dissulfuretos proteicos. Esta proteína acelera a formação e quebra das pontes de dissulfureto, facilitando grandemente o processo de escolha das pontes de dissulfureto mais estáveis. As cadeias nascentes são protegidas por proteínas especiais, denominadas chaperones, cuja função é impedir que as zonas hidrofóbicas das cadeias polipeptídicas se agreguem prematuramente entre si dando origem a proteínas com a conformação errada (e portanto inactivas).
 

GOLGI

No complexo de Golgi realiza-se a  parte mais importante da glicosilação. A cadeia glicosilada que as proteínas receberam no RER vai ser modificada consoante o seu destino final. Esta modificação inclui fosforilação de resíduos de manose (no compartimento cis), remoção de resíduos de manose, adição de N-acetilglucosamina, ramificação da cadeia (compartimento médio) e adição de ácido N-acetilenuramínico(ácido siálico) no compartimento trans.
 

LISOSSOMAS

Possuem uma grande variedade de hidrolases ácidas, capazes de degradar quase todos os contúdos celulares. Estas hidrolases têm um pH óptimo entre 3 e 6, e portanto o interior dos lissomas é ácido. A acidificação é realizada por Bombas de H+, que usam ATP. As suas enzimas são glicoproteínas provenientes do Golgi, que saem da sua face trans em vesículas específicas. A compartimentação destas enzimas impede a lise indiscriminada dos conteúdos celulares.
Os lisossomas podem ser secundários ou primários, consoante contêm ou não produtos de degradação. Possuem um halo sem conteúdo visível ao microscópio electrónico entre a membrana e o seu interior. Este halo poderá ser devido à presença de oligossacarídeos que poderão proteger a membrana lisossomal de auto-degradação.
Os lisosomas estão envolvidos em processos de autofagia e heterofagia. A formação dos autolisossomas inicia-se quando uma porção de RE envolve um organelo que deve ser destruído, formando uma vesícula em seu redor. Esta vesícula é posteriormente acidificada e funde-se depois com um sisossoma primário, que inicia a degradação. Na heterofagia, os lisossomas fundem-se com endossomas (provenientes da endocitose) ou fagossomas (provenientes da fagocitose).
Algumas células são capazes de exocitar lisossomas para destruir componentes extracelulares, p. ex. na formação de tecido ósseo, em que é necessário eliminar primeiro as células ósseas antigas.
 

NÚCLEO

O envelope nuclear é constituído por uma membrana externa (contínua com o RE) uma membrana interna e a lâmina nuclear. A função do núcleo é sintetizar os ácidos nucleicos necessários para o funcionamento e reprodução celulares. No núcleo existem vários “sub-organelos” (os nucléolos) cuja função é sintetizar os ribossomas.
Os processos nucleares básicos são a replicação (síntese de DNA) e a trancrição (síntese de RNA). O processo de crescimento das cadeias de ácidos nucleicos é um processo reversível. A fim de os tornar irreversíveis, as enzimas responsáveis por estes processos acoplam-nos a processos irreversíveis (no caso a hidrólise do (d)NTP), tornando o processo total irreversível.

Replicação

É realizada por DNA polimerase (com a ajuda de girases, topoisomerases, primase, etc.). As novas cadeias são sintetizadas (tal como no caso da RNA polimerase) no sentido 5’-3’, o que significa que cada novo nucleósido se liga à extremidade 3’ da cadeia nascente.
A DNA polimerase não conseguir sintetizar uma cadeia a partir do nada, exigindo a presença de um pequeno oligonucleotídeo (um primer). O primer é de RNA, e feito por uma RNA polimerase. Uma das cadeias (a cadeia condutora) é sintetizada continuamente, ao passo que a outra (cadeia atrasada) é sintetizada em fragmentos (fragmentos de Okazaki) que são ligados entre si depois de eliminados os respectivos primers.
A DNA polimerase é capaz de se auto-corrigir: um novo nucleósido só é adicionado à cadeia se o anterior fôr exactamente complementar ao nucleótido da cadeia “molde” (Eng. “template”). Se a complementaridade não fôr perfeita, o nucleósido errado é eliminado pela própria DNA polimerase numa actividade de exonuclease 3’-5’ (exonuclease = actividade de degradação da extremidade de um ácido nucleico).
 

Transcrição

Em eucariotas, existem três RNA polimerases diferentes (uma para cada tipo de RNA). A RNA polimerase liga-se ao DNA, mas só começam a síntese de RNA depois de encontrarem pequenas sequências específicas (os promotores). Existem vários tipos de promotores, alguns dos quais muito mais “fortes” do que outros, e esta é uma das razões por que alguns genes são transcritos muito mais frequentemente do que outros. Muitos genes possuem também sequências reguladoras onde se ligam proteínas específicas, que impedem o desenrolamento do DNA e a transcrição.
A síntese de RNA é feita continuamente, sem necessitar de primers, e termina quando a RNA polimerase reconhece uma sequência de terminação específica.
Em eucariotas, o mRNA é sintetizado numa forma “imatura” (o hnRNA –RNA nuclear heterogéneo). Durante a síntese, a extremidade 5’ é modificado com 7-metilguanosina. Após a síntese, é adicionada uma longa cadeia de adeninas à extremidade 3’. Seguidamente, ocorre a remoção de intrões (“splicing”). Ocorre numa estrutura constituída por proteínas e RNA (o “spliceossoma”). O processo é catalizado por RNA.
A transcrição de rRNA ocorre no nucléolo. Cada subunidade do ribossoma é produzida separadamente, e exportada para o citoplasma através dos poros nucleares. As subunidades só se juntam no citoplasma. O ribossoma completo é demasiado grande para passar pelos poros nucleares, e portanto os ribossomas estão impedidos de entrar no núcleo.
 

Tradução

Em eucariotas, o tRNA iniciador é inicialmente posicionado na subunidade pequena com a ajuda de um factor de iniciação ainda antes da ligação ao mRNA. O mRNA  liga-se à subunidade pequena através da sua extremidade 5’, e desliza através dela até o codão de iniciação (AUG) ser reconhecido pelo tRNA de iniciação. Nesta altura o factor de iniciação desliga-se e começa a tradução da mensagem. Todas as proteínas recém-sintetizadas contêm portanto metionina como primeiro aminoácido. No entanto, frequentemente esta metionina é clivada pouco depois por uma amino peptidase, pelo que muitas proteínas maduras não contêm Met como aminoácido N-terminal.

[Incompleto. Terminarei quando tiver tempo ;-) ]
 

Molecular Biology of the Cell Um texto clássico, pormenorizado e escrito de forma muito acessível.