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S2019_Lecture_10_Reading - Biologia


O sistema de endomembrana

O sistema de endomembrana (endo = "dentro") é um grupo de membranas e organelas em células eucarióticas que trabalham juntas para modificar, empacotar e transportar lipídios e proteínas. Embora não seja tecnicamente dentro de Na célula, a membrana plasmática está incluída no sistema endomembranar porque, como você verá, ela interage com as outras organelas endomembranosas. O sistema de endomembrana não inclui as membranas das mitocôndrias ou dos cloroplastos.

Proteínas de membrana e secretoras são sintetizadas no retículo endoplasmático rugoso (RER). O RER às vezes também modifica proteínas. Nesta ilustração, uma proteína de membrana integral (verde) no ER é modificada pela ligação de um carboidrato (roxo). Vesículas com o botão de proteína integral do RE e se fundem com a face cis do aparelho de Golgi. Conforme a proteína passa ao longo das cisternas de Golgi, ela é modificada pela adição de mais carboidratos. Depois que sua síntese estiver completa, ele sai como proteína de membrana integral da vesícula que brota do corpo de Golgi trans face e quando a vesícula se funde com a membrana celular, a proteína torna-se parte integrante dessa membrana celular. (crédito: modificação da obra de Magnus Manske)

Possível discussão

Se uma proteína da membrana periférica fosse sintetizada no lúmen (dentro) do RE, ela terminaria no lado interno ou externo da membrana plasmática?

O retículo endoplasmático

o retículo endoplasmático (ER) (veja a figura acima) é uma série de sacos e túbulos membranosos interconectados que modificam coletivamente proteínas e sintetizam lipídios. No entanto, essas duas funções são executadas em áreas separadas do ER: o ER rugoso e o ER liso, respectivamente.

A porção oca dos túbulos ER é chamada de lúmen ou espaço cisternal. A membrana do RE, que é uma bicamada fosfolipídica embutida com proteínas, é contínua com o envelope nuclear.

ER áspero

o retículo endoplasmático rugoso (RER) tem esse nome porque os ribossomos fixados em sua superfície citoplasmática lhe dão uma aparência cravejada quando visto por um microscópio eletrônico (veja a figura abaixo).

Esta micrografia eletrônica de transmissão mostra o retículo endoplasmático rugoso e outras organelas em uma célula pancreática. (crédito: modificação da obra de Louisa Howard)

Os ribossomos transferem suas proteínas recém-sintetizadas para o lúmen do RER, onde sofrem modificações estruturais, como dobramento ou aquisição de cadeias laterais. Essas proteínas modificadas serão incorporadas às membranas celulares - a membrana do RE ou as de outras organelas - ou secretadas pela célula (como hormônios protéicos, enzimas). O RER também produz fosfolipídios para membranas celulares.

Se os fosfolipídios ou proteínas modificadas não forem destinados a permanecer no RER, eles chegarão aos seus destinos por meio de vesículas de transporte que brotam da membrana do RER.

Uma vez que o RER está envolvido na modificação de proteínas (como enzimas, por exemplo) que serão secretadas pela célula, você estaria correto em supor que o RER é abundante em células que secretam proteínas. É o caso das células do fígado, por exemplo.

Smooth ER

o retículo endoplasmático liso (SER) é contínuo com o RER, mas tem poucos ou nenhum ribossomo em sua superfície citoplasmática. As funções do SER incluem a síntese de carboidratos, lipídios e hormônios esteróides; desintoxicação de medicamentos e venenos; e armazenamento de íons de cálcio.

Nas células musculares, um SER especializado denominado retículo sarcoplasmático é responsável pelo armazenamento dos íons de cálcio necessários para desencadear as contrações coordenadas das células musculares.

O aparelho de Golgi

Já mencionamos que as vesículas podem brotar do pronto-socorro e transportar seu conteúdo para outro lugar, mas para onde vão as vesículas? Antes de chegar ao destino final, os lipídios ou proteínas das vesículas de transporte ainda precisam ser classificados, embalados e marcados para que cheguem ao lugar certo. A classificação, marcação, embalagem e distribuição de lipídios e proteínas ocorrem no Aparelho de Golgi (também chamado de corpo de Golgi), uma série de membranas achatadas (veja a figura abaixo).

O aparelho de Golgi neste glóbulo branco é visível como uma pilha de anéis semicirculares e achatados na parte inferior da imagem. Várias vesículas podem ser vistas perto do aparelho de Golgi. (crédito: modificação da obra de Louisa Howard)

O lado receptor do aparelho de Golgi é chamado de cis enfrentar. O lado oposto é chamado de trans enfrentar. As vesículas de transporte que se formaram a partir do ER viajam para o cis rosto, fundir-se com ele e esvaziar seu conteúdo no lúmen do aparelho de Golgi. À medida que as proteínas e os lipídios viajam pelo Golgi, eles passam por modificações adicionais que permitem sua classificação. A modificação mais frequente é a adição de cadeias curtas de moléculas de açúcar. Essas proteínas e lipídios recém-modificados são então marcados com grupos fosfato ou outras moléculas pequenas para que possam ser encaminhados para seus destinos adequados.

Finalmente, as proteínas modificadas e marcadas são empacotadas em vesículas secretoras que brotam do trans cara do Golgi. Enquanto algumas dessas vesículas depositam seu conteúdo em outras partes da célula onde serão usadas, outras vesículas secretoras se fundem com a membrana plasmática e liberam seu conteúdo para fora da célula.

Em outro exemplo de forma após a função, as células que se envolvem em uma grande atividade secretora (como as células das glândulas salivares que secretam enzimas digestivas ou células do sistema imunológico que secretam anticorpos) têm uma abundância de Golgi.

Nas células vegetais, o aparelho de Golgi tem a função adicional de sintetizar polissacarídeos, alguns dos quais são incorporados na parede celular e alguns dos quais são usados ​​em outras partes da célula.

Lisossomos

Além de seu papel como componente digestivo e unidade de reciclagem de organelas das células animais, os lisossomos são considerados partes do sistema endomembrana. Os lisossomos também usam suas enzimas hidrolíticas para destruir os patógenos (organismos causadores de doenças) que podem entrar na célula. Um bom exemplo disso ocorre em um grupo de glóbulos brancos chamados macrófagos, que fazem parte do sistema imunológico do seu corpo. Em um processo conhecido como fagocitose ou endocitose, uma seção da membrana plasmática do macrófago se invagina (dobra para dentro) e envolve um patógeno. A seção invaginada, com o patógeno dentro, então se separa da membrana plasmática e se torna uma vesícula. A vesícula se funde com um lisossoma. As enzimas hidrolíticas do lisossoma, então, destroem o patógeno (figura abaixo).

Um macrófago engolfou (fagocitou) uma bactéria potencialmente patogênica e então se fundiu com um lisossomo dentro da célula para destruir o patógeno. Outras organelas estão presentes na célula, mas para simplificar não são mostradas.

Resumo das endomembranas

O sistema de endomembrana inclui o envelope nuclear, lisossomas, vesículas, o RE e o aparelho de Golgi, bem como a membrana plasmática. Esses componentes celulares trabalham juntos para modificar, empacotar, marcar e transportar proteínas e lipídios que formam as membranas.

O RER modifica proteínas e sintetiza fosfolipídios usados ​​nas membranas celulares. O SER sintetiza carboidratos, lipídios e hormônios esteróides; dedica-se à desintoxicação de medicamentos e venenos; e armazena íons de cálcio. A classificação, marcação, embalagem e distribuição de lipídios e proteínas ocorrem no aparelho de Golgi. Os lisossomos são criados pelo brotamento das membranas do RER e do Golgi. Os lisossomos digerem macromoléculas, reciclam organelas gastas e destroem os patógenos.

Resposta livre

Exercício 1

No contexto da biologia celular, o que queremos dizer com a forma segue a função? Quais são pelo menos dois exemplos desse conceito?

“A forma segue a função” refere-se à ideia de que a função de uma parte do corpo dita a forma dessa parte do corpo. Por exemplo, compare seu braço com a asa de um morcego. Embora os ossos dos dois correspondam, as partes têm funções diferentes em cada organismo e suas formas se adaptaram para seguir essa função.

Exercício 2

Em sua opinião, a membrana nuclear faz parte do sistema de endomembrana? Por que ou por que não? Defenda sua resposta.

Como a superfície externa da membrana nuclear é contínua com o retículo endoplasmático rugoso, que faz parte do sistema endomembrana, é correto dizer que faz parte do sistema.

O citoesqueleto

O citoesqueleto é uma rede de diferentes fibras de proteína que desempenha muitas funções: mantém ou altera a forma da célula; protege algumas organelas em posições específicas; permite a movimentação do citoplasma e das vesículas dentro da célula; e permite que a célula se mova em resposta a estímulos. Existem três tipos de fibras no citoesqueleto: microfilamentos, filamentos intermediários e microtúbulos. Algumas das fibras do citoesqueleto funcionam em conjunto com motores moleculares que se movem ao longo das fibras dentro da célula para realizar um conjunto diversificado de funções. Existem duas famílias principais de associados ao citoesqueleto motores moleculares: dineínas e kinesins.

figura 1. Microfilamentos engrossam o córtex ao redor da borda interna de uma célula; como elásticos, eles resistem à tensão. Os microtúbulos são encontrados no interior da célula, onde mantêm a forma celular resistindo às forças compressivas. Filamentos intermediários são encontrados em toda a célula e mantêm as organelas no lugar.


Desafio de design

Declaração do problema: as células eucarióticas contêm organelas ligadas à membrana que separam efetivamente materiais, processos e reações uns dos outros e do citoplasma. Isso por si só representa um problema para os eucariotos.

Como a célula pode mover e controlar propositadamente a localização dos materiais entre essas organelas? Mais especificamente, como uma célula eucariótica pode transportar compostos de seu local de origem (na maioria dos casos, o ciotoplasma) para onde eles são necessários (talvez o núcleo, a mitocôndria ou a superfície da célula)?


Nota: possível discussão

Proponha algumas razões pelas quais as células - especialmente células grandes e / ou células com organelas - não podem depender da difusão simples para mover metabólitos, blocos de construção, proteínas, etc. para os locais na célula onde são necessários.

Uma solução possível é a célula criar uma rede que possa conectar todas as diferentes partes da célula. Essa rede pode ser usada não apenas como um andaime para manter os componentes no lugar, mas também como uma referência de direção. Por exemplo, podemos usar um mapa para determinar a direção que precisamos viajar e estradas para conectar e viajar de casa para o campus. Da mesma forma, uma rede de interconexão dentro da célula pode ser usada para direcionar e mover compostos de um local para um destino final. Algumas das características exigidas desta rede estão listadas abaixo. Você pode adicionar algo a esta lista?

Rede intracelular

  • A rede precisa ser extensa e conectar todas as áreas da célula.
  • A rede precisa ser flexível, capaz de mudar e se adaptar conforme a célula cresce, se divide em duas células ou se move fisicamente de um ambiente para outro.
  • A rede precisa ser forte, capaz de suportar a pressão mecânica de dentro ou de fora da célula.
  • A rede precisa ser composta por fibras diferentes e cada uma dessas fibras precisa ser para uma conexão específica na célula. Por exemplo, certas fibras podem estar envolvidas na manutenção de organelas no lugar, e outras fibras podem estar envolvidas na conexão de duas organelas diferentes.
  • As fibras precisam ter direcionalidade (ou polaridade), o que significa que precisam ter um ponto de partida definido e um fim definido para ajudar a direcionar o movimento de um local para outro.
  • As fibras precisam trabalhar com proteínas que podem converter energia química em energia cinética, para transportar ativamente os compostos ao longo das fibras.

Microfilamentos

Actin

Microfilamentos são fibras do citoesqueleto compostas por actina subunidades. A actina é uma das proteínas mais abundantes nas células eucarióticas e compreende 20% da proteína celular total em peso nas células musculares. A sequência de aminoácidos da actina é altamente conservada em células eucarióticas, o que significa que a sequência de aminoácidos da proteína e, portanto, sua forma 3-D final, mudou pouco ao longo da evolução, mantendo mais de 80% de similaridade entre algas e humanos.

A actina pode estar presente como um monômero livre chamado G-actina (globular) ou como parte de um microfilamento de polímero chamado F-actina ("F" para filamentoso). A actina deve ser ligada ao ATP para se reunir em sua forma filamentosa e manter a integridade estrutural do filamento. O próprio filamento de actina tem polaridade estrutural. Este termo "polaridade", em referência a um filamento do citoesqueleto, não significa o que significava quando discutimos os grupos funcionais polares anteriormente neste curso. Polaridade aqui se refere ao fato de que existem duas extremidades distintas para o filamento. Essas extremidades são chamadas de extremidade "(-)" e extremidade "(+)". Na extremidade "(+)", as subunidades de actina são adicionadas ao filamento alongado e na extremidade "(-)", as subunidades de actina estão se desmontando ou caindo do filamento. Este processo de montagem e desmontagem é controlado pela proporção de ATP para ADP no citoplasma.

Figura 2. Os microfilamentos são as mais estreitas das três fibras do citoesqueleto, com um diâmetro de cerca de sete nm. Microfilamentos são compostos de subunidades de actina que se formam em dois fios entrelaçados.

A actina participa de muitos processos celulares, incluindo contração muscular, motilidade celular, citocinese durante a divisão celular, movimento de vesículas e organelas e a manutenção da forma celular. Os filamentos de actina servem como uma pista para o movimento de uma família de proteínas motoras chamadas miosinas discutido em mais detalhes em uma seção abaixo.

Link para aprender:

Para ver um exemplo de um glóbulo branco em ação, clique aqui e assista a um breve vídeo de lapso de tempo da célula capturando duas bactérias. Ele engolfa um e depois segue para o outro.

Animações em filamentos de actina e como funcionam

  • Conjunto de filamento de actina
  • Movimento muscular e o papel da actina
  • Movimento deslizante dos filamentos de actina

Filamentos intermediários

Os filamentos intermediários são feitos de várias fitas de proteínas fibrosas que são enroladas juntas. Esses elementos do citoesqueleto recebem seu nome do fato de que seu diâmetro, de oito a dez nm, fica entre os dos microfilamentos menores e os dos microtúbulos maiores. Os filamentos intermediários são o grupo mais diverso de elementos do citoesqueleto. Vários tipos de proteínas fibrosas são encontrados nos filamentos intermediários. Você provavelmente está mais familiarizado com a queratina, a proteína fibrosa que fortalece o cabelo, as unhas e a epiderme da pele.

Figura 3. Os filamentos intermediários consistem em vários fios entrelaçados de proteínas fibrosas.

Filamentos intermediários não têm papel no movimento celular. Sua função é puramente estrutural. Eles suportam a tensão, mantendo assim a forma da célula, e ancoram o núcleo e outras organelas no lugar. A figura acima mostra como os filamentos intermediários criam uma estrutura de suporte semelhante a um cabo dentro da célula.

Microtúbulos

Microtúbulos são o maior componente do citoesqueleto e são encontrados em todo o citoplasma. Esses polímeros são constituídos por subunidades de proteínas globulares chamadas α-tubulina e β-tubulina. Os microtúbulos são encontrados não apenas nas células eucarióticas, mas também em algumas bactérias.

Ambas as subunidades α-tubulina e β-tubulina ligam-se ao GTP. Quando ligado ao GTP, a formação do microtúbulo pode começar, isso é chamado de evento de nucleação. À medida que mais dímeros de tubulina GTP se agregam ao filamento, o GTP é lentamente hidrolisado pela β-tubulina para formar GDP. A tubulina ligada ao GDP é menos robusta do ponto de vista estrutural e pode levar à desmontagem do microtúbulo.

Muito parecido com os filamentos de actina discutidos acima, os microtúbulos também têm uma polaridade distinta que é crítica para sua função biológica. A tubulina polimeriza de ponta a ponta, com as subunidades β de um dímero de tubulina em contato com as subunidades α do próximo dímero. Essas diferenças levam a diferentes subunidades sendo expostas nas duas extremidades do filamento. As extremidades são designadas como extremidades "(-)" e "(+)". Ao contrário dos filamentos de actina, os microtúbulos podem se alongar nas extremidades "(+)" e "(-)", mas o alongamento é significativamente mais rápido na extremidade "(+)".

Figura 4. Os microtúbulos são ocos. Suas paredes consistem em 13 dímeros polimerizados de α-tubulina e β-tubulina (imagem à direita). A imagem à esquerda mostra a estrutura molecular do tubo.

Os microtúbulos ajudam a célula a resistir à compressão, fornecem um caminho ao longo do qual as vesículas se movem através da célula, puxam os cromossomos replicados para extremidades opostas de uma célula em divisão e são os elementos estruturais dos flagelos, cílios e centríolos (os últimos são os dois corpos perpendiculares de o centrossoma). Na verdade, nas células animais, o centrossoma é o centro organizador dos microtúbulos. Em células eucarióticas, flagelos e cílios são estruturalmente muito diferentes de suas contrapartes em bactérias, discutidas abaixo.

De onde vêm essas fibras?

O citoesqueleto provavelmente tem suas origens na ancestralidade bacteriana e / ou arquea. Existem antigos parentes da actina e da tubulina nos sistemas bacterianos. Nas bactérias, acredita-se que a proteína MreB e a proteína ParM sejam os primeiros ancestrais da Actina. MreB funciona na manutenção da forma celular e funções ParM na partição de plasmídeo (DNA). A proteína FtsZ em bactérias funciona na citocinese, é uma GTPase, forma filamentos espontaneamente e é considerada uma forma antiga de tubulina. Esses achados apóiam a hipótese de que o citoesqueleto eucariótico tem suas origens no mundo bacteriano.

Flagelos e cílios

Flagelos (singular = flagelo) são estruturas longas semelhantes a cabelos que se estendem da membrana plasmática e são usadas para mover uma célula inteira (por exemplo, esperma, Euglena) Quando presente, a célula apresenta apenas um flagelo ou alguns flagelos. Cílios são estruturas curtas semelhantes a cabelos que são usadas para mover células inteiras (como paramécios) ou substâncias ao longo da superfície externa da célula (por exemplo, os cílios das células que revestem as trompas de Falópio que movem o óvulo em direção ao útero, ou cílios (revestindo as células do trato respiratório que prendem as partículas e as movem em direção às narinas.) Quando os cílios estão presentes, pode haver muitos deles, estendendo-se ao longo de toda a superfície da membrana plasmática.

Apesar de suas diferenças em comprimento e número, flagelos e cílios compartilham um arranjo estrutural comum de microtúbulos chamado de "matriz 9 + 2". Este é um nome apropriado porque um único flagelo ou cílio é feito de um anel de nove dupletos de microtúbulos, circundando um único dupleto de microtúbulos no centro (Figura 5).

Figura 5. Esta micrografia eletrônica de transmissão de dois flagelos mostra a "matriz 9 + 2" de microtúbulos: nove dupletos de microtúbulos circundam um único dupleto de microtúbulos. (crédito: modificação do trabalho por Dartmouth Electron Microscope Facility, Dartmouth College; dados da barra de escala de Matt Russell)

Para um vídeo sobre o movimento flagelar e ciliar em eucariotos, veja o vídeo no YouTube: clique aqui (você pode pular o comercial).

Proteínas motoras

Uma função do citoesqueleto é mover componentes celulares de uma parte da célula para outra. Esses componentes celulares são chamados de "carga" e geralmente são armazenados dentro de uma vesícula para transporte. Você pode pensar no citoesqueleto como "trilhos de ferrovia" que fornecem suporte e direcionalidade dentro da célula.

É claro que, se existem "trilhos de ferrovia", é necessário que haja um motor que possa se mover nos trilhos e puxar ou empurrar a carga. Nesse caso, os motores são motores moleculares que podem se mover ao longo dos trilhos em uma direção específica. Existem duas famílias de motores moleculares associado ao citoesqueleto; dineínas e kinesins. Essas proteínas motoras (motores de trem) e o citoesqueleto criam uma rede abrangente dentro da célula para mover vesículas (vagões de carga) de uma organela para outra ou de uma organela para a superfície celular.

Figura 6. Organelle transporte via microtúbulos e cinesinas e dinas. Observe que a figura é conceitual e destina-se apenas a mostrar a direcionalidade do movimento de várias organelas; não representa necessariamente todas as suas formas fielmente.

Dineínas citoplasmáticas

A dineína é um complexo proteico que funciona como um motor molecular. Nas células, ele converte a energia química da hidrólise do ATP em energia mecânica do movimento para 'caminhar' ao longo do microtúbulo enquanto carrega uma vesícula. As dineínas se ligam aos microtúbulos e se movem ou "caminham" da extremidade positiva "(+)" do filamento do microtúbulo citoesquelético para a extremidade negativa "(-)" do filamento, que geralmente é orientada em direção ao centro da célula. Assim, eles são frequentemente referidos como "motores direcionados à extremidade negativa" e este transporte vesicular é referido como transporte retrógrado. A dineína citoplasmática se move processamente ao longo do microtúbulo, hidrolisando ATP a cada "passo" que ela dá ao longo do microtúbulo. Durante esse processo, um ou outro de seus "caules" está sempre preso ao microtúbulo, permitindo que o motor da dineína (e sua carga) "caminhe" uma distância considerável ao longo de um microtúbulo sem se destacar.

Figura 7. Esquema da proteína motora dineína citoplasmática. As dineínas são complexos de proteínas compostos de muitas subunidades polipeptídicas menores. A estrutura geral dos motores dynien é relativamente simples, consistindo em dois complexos idênticos, cada um tendo um domínio motor que interage com o microtúbulo, uma haste ou região da haste que conecta a cabeça do motor ao domínio de interação da carga.

As dineínas citoplâmicas são usadas em muitos processos diferentes: elas estão envolvidas no movimento das organelas, como o posicionamento do complexo de Golgi e outras organelas na célula; são usados ​​no transporte de cargas, como na movimentação de vesículas formadas pelo retículo endoplasmático, endossomos e lisossomas; e são responsáveis ​​pelo movimento dos cromossomos durante a divisão celular. As dineínas axonemais são proteínas motoras utilizadas no deslizamento dos microtúbulos nos axonemas dos cílios e flagelos nas células eucarióticas.

Kinesins

As cinesinas, assim como as dineínas citoplasmáticas, são complexos motor-proteicos que "caminham" ao longo dos microtúbulos e estão envolvidos no transporte das vesículas. Ao contrário das dineínas citoplasmáticas, a polaridade do movimento da cinesina é da extremidade "(-)" do microtúbulo para a extremidade "(+)" com a hidrólise do ATP. Na maioria das células, isso envolve o transporte de carga do centro da célula para a periferia (na direção oposta às dineínas). Este meio de transporte é conhecido como anterógrado ou transporte ortrógrado. Como as dineínas citoplasmáticas, as cinesinas estão envolvidas em uma variedade de processos celulares, incluindo o movimento das vesículas e dos cromossomos durante a divisão celular.

A estrutura das cinesinas é semelhante às dineínas citoplasmáticas e é diagramada na Figura 8. Os membros da superfamília das cinesinas variam em forma, mas a estrutura geral é a de um heterotetrâmero cujas subunidades motoras (cadeias pesadas) formam um dímero de proteína (par de moléculas) que liga duas cadeias leves.

Figura 8. Esquema das proteínas motoras da cinesina. As cadeias pesadas compreendem uma cabeça globular (o domínio motor) na extremidade amino-terminal conectada por meio de um ligante de pescoço curto e flexível à hasteum longo e central α-domínio coiled-coil helicoidalque termina em um domínio de cauda carboxi terminal que se associa com as cadeias leves. Os talos de duas cadeias leves se entrelaçam para formar uma bobina que direciona a dimerização das duas cadeias pesadas. Na maioria dos casos, a carga transportada se liga às cadeias leves de cinesina, mas, em alguns casos, a carga se liga aos domínios do terminal C das cadeias pesadas.

Animações de cinesina e dineína em ação

  • Animação de um motor dineína ciplásmica em um microtúbulo
  • Como a dineína se move ao longo de um microtúbulo
  • Mecanismo de Cinesina movendo-se em um microtúbulo
  • Motores Kinesin e Dynein

Como os motores interagem com a carga e os microtúbulos?

As dineínas e cinesinas citoplasmáticas interagem com a carga e os microtúbulos de maneira semelhante. As cadeias leves interagem com receptores nas várias vesículas de carga e os domínios motores globulares, especificamente interagem com os microtúbulos.

Figura 9. Esquema da proteína motor da cinesina carregando uma vesícula de carga ao longo de um filamento de microtúbulo.

Nota: possível discussão

Quais são os benefícios de ter vários tipos de proteínas motoras? Vários tipos de filamentos? Filamentos com polaridade?