Sistemas Funcionais da Célula

Figura 2-10. Comparação dos tamanhos de organismos pré-celulares com o de uma célula média do corpo humano.

 

 

SISTEMAS FUNCIONAIS DA CÉLULA

 

No restante deste Capítulo, discutiremos diversos sistemas funcionais

representativos da célula que fazem dela um organismo vivo.

 

INGESTÃO PELA CÉLULA — ENDOCITOSE

Para uma célula viver, crescer e se reproduzir ela tem de obter nutrientes e

outras substâncias dos líquidos ao seu redor. A maioria das substâncias

passa através da membrana celular por difusão e por transporte ativo.

A difusão simples envolve o transporte através da membrana, causado

pelo movimento aleatório das moléculas da substância; as substâncias se

movem pelos poros da membrana celular ou, no caso de substâncias

lipossolúveis, através da matriz lipídica da membrana.

O transporte ativo envolve o carreamento de substância através da

membrana por estrutura proteica física que atravessa a membrana. Esses mecanismos de transporte ativo, tão importantes para a função celular, serão

apresentados detalhadamente no Capítulo 4.

Partículas muito grandes entram na célula por meio de função

especializada da membrana celular, chamada endocitose. As principais

formas de endocitose são a pinocitose e a fagocitose. Pinocitose significa a

ingestão de minúsculas partículas que formam vesículas de líquido

extracelular e por componentes particulados no interior do citoplasma da

célula. Fagocitose significa a ingestão de grandes partículas, tais como

bactérias, células inteiras ou partes de tecido em degeneração.

 

Pinocitose. A pinocitose ocorre continuamente nas membranas celulares

da maioria das células, mas é especialmente rápida em algumas delas. Por

exemplo, ela ocorre tão rapidamente em macrófagos que cerca de 3% da

membrana total do macrófago são engolfados, na forma de vesículas, a cada

minuto. Mesmo assim, as vesículas pinocitóticas são muito pequenas —

normalmente, apenas 100 a 200 nanômetros de diâmetro — que a maioria

delas só pode ser vista ao microscópio eletrônico.

A pinocitose é o único meio pelo qual a maioria das grandes

macromoléculas, tal como a maior parte das moléculas de proteína, pode

entrar nas células. A velocidade de formação de vesículas pinocitóticas

costuma aumentar quando essas macromoléculas aderem à membrana

celular.

A Figura 2-11 demonstra as etapas sucessivas da pinocitose de três

moléculas de proteína aderidas à membrana. Essas moléculas, em geral, se

ligam a receptores de proteínas especializados, na superfície da membrana,

que são específicas para o tipo de proteína que será absorvido. Os

receptores, na maioria das vezes, estão concentrados em pequenas

concavidades na superfície externa da membrana celular, chamadas

cavidades revestidas. Na face interna da membrana celular, abaixo dessas

cavidades, há uma malha de proteínas fibrilares, chamada clatrina, bem como outras proteínas, incluindo talvez filamentos contráteis de actina e

miosina. Uma vez que as moléculas de proteína se unem aos receptores, as

propriedades da superfície da membrana local se alteram de tal forma que

ocorre invaginação, e as proteínas fibrilares, ao redor da abertura da

cavidade em invaginação, fazem com que suas bordas se fechem sobre as

proteínas ligadas aos receptores, engolfando também pequena quantidade

de líquido extracelular. Imediatamente, a parte invaginada da membrana se

destaca da superfície da célula, formando uma vesícula pinocitótica, no

citoplasma da célula.

O que faz com que a membrana celular passe pelas deformações

necessárias, para formar as vesículas pinocitóticas, ainda é incerto. Esse

processo requer energia do interior da célula suprida pelo ATP, substância

de alta energia, discutido adiante, neste Capítulo. Este processo requer

também a presença de íons cálcio no líquido extracelular que

provavelmente reagem com os filamentos de proteína contráteis abaixo das

cavidades revestidas, para gerar a força para destacar as vesículas da

membrana celular.

Figura 2-11. Mecanismo da pinocitose.

 

Fagocitose. A fagocitose ocorre de forma muito parecida com a

pinocitose, mas envolve partículas grandes em vez de moléculas. Apenas

certas células têm a capacidade da fagocitose, principalmente os

macrófagos dos tecidos e alguns leucócitos.

A fagocitose se inicia quando uma partícula, tal como uma bactéria, uma

célula morta, ou restos de tecido, se liga a receptores na superfície do

fagócito. No caso das bactérias, cada uma geralmente está ligada a um

anticorpo específico, que é o anticorpo que se liga aos receptores do

fagócito, arrastando a bactéria com ele. Essa intermediação de anticorpos é

chamada opsonização, discutida nos Capítulos 34 e 35.

A fagocitose ocorre segundo os seguintes passos:

1. Os receptores da membrana celular se aderem aos ligantes da superfície

da partícula.

2. As bordas da membrana, ao redor dos pontos de ligação, evaginam em

fração de segundo para envolver toda a partícula; então,

progressivamente, mais e mais receptores da membrana se unem aos

ligantes da partícula. Tudo isso ocorre repentinamente, como um zíper,

para formar a vesícula fagocítica fechada.

3. A actina e outras fibrilas contráteis, no citoplasma, envolvem a vesícula

fagocítica e se contraem ao redor de sua borda externa, empurrando a

vesícula para o interior.

4. As proteínas contráteis então fecham a abertura da vesícula tão

completamente que ela se separa da membrana celular, deixando a

vesícula no interior da célula, da mesma maneira como as vesículas

pinocitóticas são formadas.

 

SUBSTÂNCIAS ESTRANHAS, PINOCITÓTICAS E

FAGOCITÓTICAS, SÃO DIGERIDAS DENTRO DA

CÉLULA PELOS LISOSSOMOS

 

Quase imediatamente após o aparecimento de uma vesícula pinocitótica ou

fagocítica no interior da célula, um ou mais lisossomos se ligam à vesícula e

lançam suas hidrolases ácidas no interior da vesícula, como mostra a Figura

2-12. Assim, uma vesícula digestiva é formada no citoplasma da célula, na

qual as hidrolases vesiculares começam a hidrolisar as proteínas,

carboidratos, lipídios e outras substâncias na vesícula. Os produtos da

digestão são pequenas moléculas de aminoácidos, glicose, fosfatos e outros,

que podem se difundir, através da membrana da vesícula, para o citoplasma.

O que sobra da vesícula digestiva, chamado corpo residual, representa

substâncias indigeríveis. Na maioria dos casos, esse corpo residual é

finalmente excretado pela membrana celular pelo processo da exocitose que

é essencialmente o oposto da endocitose.

Dessa forma, as vesículas pinocitóticas e fagocíticas contendo lisossomos

podem ser chamadas órgãos digestivos das células.

Figura 2-12. Digestão de substâncias nas vesículas pinocitóticas ou fagocíticas por enzimas derivadas dos lisossomos.

 

 

Regressão dos Tecidos e Autólise das Células Danificadas.

Certos tecidos corporais podem com frequência regredir até tamanho

menor. Por exemplo, essa regressão ocorre com o útero depois da gravidez,

nos músculos durante longos períodos de inatividade, e nas glândulas

mamárias, ao final da lactação. Os lisossomos são responsáveis por grande

parte dessa regressão.

Outro papel especial dos lisossomos é a remoção das células danificadas

ou partes danificadas das células dos tecidos. Danos celulares — causados

por calor, frio, trauma, produtos químicos ou qualquer outro fator —

induzem os lisossomos a se romper. As hidrolases liberadas imediatamente

começam a digerir as substâncias orgânicas adjacentes. Se o dano for leve,

apenas parte da célula é removida, seguida por seu reparo. Se o dano for

grave, toda a célula é digerida, processo chamado autólise. Dessa maneira,

a célula é completamente removida e nova célula, do mesmo tipo, é normalmente formada por reprodução mitótica de célula adjacente, em

substituição à antiga.

Os lisossomos também contêm agentes bactericidas que podem matar

bactérias fagocitadas, antes que possam causar danos celulares. Esses

agentes incluem: (1) lisozima, que dissolve a membrana celular da bactéria;

(2) lisoferrina, que liga o ferro e outras substâncias, antes que possam

promover o crescimento bacteriano; e (3) ácido, em pH de

aproximadamente 5,0, que ativa as hidrolases e inativa os sistemas

metabólicos das bactérias.

 

Reciclagem das Organelas Celulares: Autofagia. Os lisossomos

desempenham um papel-chave no processo de autofagia, que literalmente

significa “comer-se”. A autofagia é um processo de limpeza pelo qual as

organelas obsoletas e grandes agregados proteicos são degradados e

reciclados (Fig. 2-13). As organelas celulares totalmente gastas são

transferidas para os lisossomos por estruturas de membrana dupla chamados

autofagossomos, que são formados no citosol. A invaginação da membrana

lisossomal e a formação de vesículas fornecem outra rota para as estruturas

citosólicas serem transportadas para o lúmen dos lisossomos. Uma vez

dentro dos lisossomos, as organelas são digeridas e os nutrientes são

reutilizados pela célula. A autofagia contribui para o turnover regular dos

componentes citoplasmáticos e é um mecanismo-chave para o

desenvolvimento dos tecidos, para a sobrevivência celular em situações de

escassez de nutrientes e para a manutenção da homeostasia. Por exemplo,

nas células do fígado, a mitocôndria média tem normalmente um tempo de

vida de cerca de 10 dias até sua destruição.

Figura 2-13. Diagrama esquemático das etapas de autofagia.

 

SÍNTESE DE ESTRUTURAS CELULARES PELO

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO E COMPLEXO

GOLGIENSE

 

Funções Específicas do Retículo Endoplasmático

 

A extensão do retículo endoplasmático e do complexo golgiense nas células

secretórias já foi destacada. Essas estruturas são formadas principalmente

por membranas de bicamada lipídica, similar à da membrana celular, e suas

paredes são revestidas por enzimas proteicas que catalisam a síntese de

muitas substâncias necessárias para a célula.

A maioria das sínteses começa no retículo endoplasmático. Os produtos

formados nele são então transferidos para o complexo golgiense, onde são

novamente processados, antes de serem liberados no citoplasma. Em

primeiro lugar, no entanto, vamos destacar os produtos específicos que são

sintetizados nas partes específicas do retículo endoplasmático e do

complexo golgiense.

 

Proteínas São Formadas pelo Retículo Endoplasmático

Granular. A porção granular do retículo endoplasmático é caracterizada

por grande número de ribossomos ancorados às superfícies externas da

membrana do retículo endoplasmático. Como discutido no Capítulo 3, as

moléculas de proteína são sintetizadas no interior da estrutura dos

ribossomos. Os ribossomos lançam algumas das moléculas de proteína

sintetizadas diretamente no citosol, mas também transferem muito mais

através da parede do retículo endoplasmático para o interior das vesículas e

túbulos endoplasmáticos, isto é, para a matriz endoplasmática.

 

Síntese de Lipídios pelo Retículo Endoplasmático Liso. O

retículo endoplasmático também sintetiza lipídios, especialmente os

fosfolipídios e o colesterol. Esses lipídios são rapidamente incorporados à

bicamada lipídica do próprio retículo endoplasmático, fazendo com que ele fique mais extenso. Esse processo ocorre principalmente na parte lisa do

retículo endoplasmático.

Para que o retículo endoplasmático não cresça além da demanda da célula,

pequenas vesículas, chamadas vesículas RE ou vesículas de transporte,

continuamente se destacam do retículo liso; a maioria dessas vesículas

migra com muita rapidez para o complexo golgiense.

 

Outras Funções do Retículo Endoplasmático. Outras funções

significativas do retículo endoplasmático, especialmente do retículo liso,

incluem as seguintes:

1. Ele fornece as enzimas que controlam a quebra do glicogênio, quando

ocorre demanda por energia.

2. Ele fornece grande número de enzimas que são capazes de desintoxicar

substâncias, tais como fármacos, que poderiam danificar as células. A

desintoxicação se dá por coagulação, oxidação, hidrólise, conjugação

com o ácido glicurônico, e por outras maneiras.

 

Funções Específicas do Complexo Golgiense

 

Funções Sintéticas do Complexo Golgiense. Embora a principal

função do complexo golgiense seja o processamento adicional de

substâncias já formadas no retículo endoplasmático, ele também tem a

capacidade de sintetizar certos carboidratos que não são formados no

retículo endoplasmático. Isso é particularmente válido para a formação de

grandes polímeros de sacarídeos ligados a pequenas quantidades de

proteína; os exemplos mais importantes incluem o ácido hialurônico e o

sulfato de condroitina.

Algumas das diversas funções do ácido hialurônico e do sulfato de

condroitina no corpo são as seguintes: (1) eles são os principais

componentes dos proteoglicanos, secretados no muco e em outras secreções glandulares; (2) eles são os principais componentes da substância

fundamental, ou componentes não fibrosos da matriz extracelular, no

exterior das células, nos espaços intersticiais, agindo como enchimentos

entre as fibras de colágeno e as células; (3) eles são os principais

componentes da matriz orgânica, tanto das cartilagens quanto dos ossos; e

(4) são importantes nas atividades celulares, incluindo a migração e a

proliferação.

 

Processamento de Secreções Endoplasmáticas pelo Complexo

Golgiense — Formação de Vesículas. A Figura 2-14resume as

principais funções do retículo endoplasmático e do complexo golgiense. À

medida que as substâncias são formadas no retículo endoplasmático,

especialmente as proteínas, elas são transportadas pelos túbulos para as

partes do retículo endoplasmático liso mais próximas do complexo

golgiense. Nesse ponto, pequenas vesículas de transporte, compostas de

pequenos envelopes de retículo endoplasmático liso, continuamente se

destacam e se difundem para a camada mais profunda do complexo

golgiense. Nas vesículas, estão as proteínas sintetizadas e outros produtos

do retículo endoplasmático.

As vesículas de transporte rapidamente se fundem com o complexo

golgiense e lançam as substâncias que contêm nos espaços vesiculares do

complexo golgiense. Aí, porções adicionais de carboidratos são

acrescentadas às secreções. Outra importante função do complexo golgiense

é compactar as secreções do retículo endoplasmático em pacotes muito

concentrados. À medida que as secreções passam para as camadas mais

externas do complexo golgiense, a compactação e o processamento

continuam. Por fim, tanto vesículas grandes, quanto pequenas continuam se

destacando do complexo golgiense, carregando com elas as substâncias

secretórias compactadas e, por sua vez, as vesículas se difundem por toda a

célula.

O seguinte exemplo dá uma ideia da velocidade desses processos: quando

célula glandular é exposta a aminoácidos radioativos, moléculas de proteína

radioativas recém-formadas podem ser detectadas no retículo

endoplasmático granular dentro de 3 a 5 minutos. Em 20 minutos, proteínas

recém-formadas já estão presentes no complexo golgiense e, após 1 ou 2

horas, proteínas são secretadas pela célula.

 

Figura 2-14. Formação de proteínas, lipídios e vesículas celulares pelo retículo endoplasmático e pelo complexo golgiense.

 

Tipos de Vesículas Formadas pelo Complexo golgiense —

Vesículas Secretórias e Lisossomos. Em célula intensamente

secretora, as vesículas, formadas pelo complexo golgiense, são

principalmente vesículas secretórias que contêm substâncias proteicas para serem secretadas pela superfície da membrana celular. Essas vesículas

secretórias primeiro se difundem para a membrana celular, depois se

fundem com ela e lançam suas substâncias para o exterior pelo mecanismo

da exocitose. A exocitose, na maior parte dos casos, é estimulada pela

entrada de íons cálcio na célula; os íons cálcio interagem com a membrana

vesicular, de forma ainda não bem compreendida, e causam sua fusão com a

membrana celular, seguida pela exocitose — isto é, a abertura da membrana

para o exterior e extrusão dos conteúdos. Algumas vesículas, entretanto, são

destinadas ao uso intracelular.

 

Uso das Vesículas Intracelulares para Repor as Membra nas

Celulares. Algumas das vesículas intracelulares, formadas pelo complexo

golgiense, se fundem com a membra na celular ou com as membranas de

estruturas intracelulares, tais como as das mitocôndrias ou mesmo do

retículo endoplasmático. Essa fusão aumenta a área dessas membranas e,

dessa forma, repõe as membranas conforme elas vão sendo consumidas. Por

exemplo, a membrana celular perde muito de seus componentes cada vez

que forma vesícula pinocitótica ou fagocítica, e as membranas vesiculares

do complexo golgiense continuamente repõem a membrana celular.

Em suma, o sistema membranoso do retículo endoplasmático e do

complexo golgiense representa órgão altamente metabólico, capaz de

formar novas estruturas intracelulares, bem como substâncias a serem

secretadas pela célula.

 

AS MITOCÔNDRIAS EXTRAEM ENERGIA DOS

NUTRIENTES

 

As principais substâncias, das quais a célula extrai energia, são os nutrientes

que reagem quimicamente com o oxigênio — carboidratos, gorduras e

proteínas. No corpo humano, essencialmente, todos os carboidratos são convertidos em glicose pelo trato digestório e pelo fígado, antes de

alcançarem outras células do corpo. Da mesma forma, as proteí nas são

convertidas em aminoácidos, e as gorduras em ácidos graxos. A Figura 2-

15 mostra o oxigênio e os alimentos — glicose, ácidos graxos e

aminoácidos — todos entrando na célula. Nesta, os alimentos reagem

quimicamente com o oxigênio, sob a influência de enzimas que controlam

as reações e canalizam a energia liberada na direção apropriada. Os detalhes

de todas essas funções digestivas e metabólicas são apresentados nos

Capítulos 63 a 73.

Resumidamente, quase todas essas reações oxidativas ocorrem nas

mitocôndrias, e a energia liberada é usada para formar o composto de alta

energia, o ATP. Em seguida, o ATP, e não os nutrientes originais, é usado

pela célula para energizar quase todas as reações metabólicas intracelulares

subsequentes.

Figura 2-15. Formação de trifosfato de adenosina (ATP) na célula, mostrando que a maior parte do ATP é formada nas mitocôndrias. ADP, difosfato de adenosina; CoA, coenzima A.

 

Características Funcionais do ATP

O ATP é nucleotídeo composto de (1) base nitrogenada, adenina; (2) açúcar

pentose, ribose; e (3) três radicais fosfato. Os dois últimos radicais fosfato

são conectados com o restante da molécula pelas chamadas ligações fosfato

de alta energia, representadas na fórmula mostrada anteriormente pelo

símbolo ~. Sob as condições físicas e químicas do corpo, cada uma dessas

ligações de alta energia contém cerca de 12.000 calorias de energia por mol

de ATP, o que é muitas vezes maior do que a energia armazenada em

ligação química usual; daí a origem do termo ligação de alta energia. A

ligação fosfato de alta energia é muito lábil, de forma que pode ser cindida

instantaneamente sempre que energia for necessária para promover outras

reações intracelulares.

Quando o ATP libera sua energia, um radical de ácido fosfórico se separa,

formando o difosfato de adenosina (ADP). Essa energia liberada é usada

para energizar muitas outras funções da célula, como a síntese de

substâncias e a contração muscular.

Para reconstituir o ATP celular que foi consumido, a energia, derivada dos

nutrientes celulares, é usada para recombinar o ADP e o ácido fosfórico, formando de novo o ATP, e todo o processo se repete indefinidamente. Por

essas características, o ATP é chamado moeda de energia da célula, pois ele

pode ser gasto e se refazer continuamente em períodos de apenas alguns

minutos.

 

Processos Químicos na Formação de ATP — O Papel das

Mitocôndrias. À medida que entra na célula, a glicose é submetida, no

citoplasma, às enzimas que a convertem em ácido pirúvico (processo

chamado glicólise). Pequena quantidade de ADP é transformada em ATP

pela energia liberada durante essa conversão, mas essa quantidade é

responsável por menos de 5% do metabolismo energético total da célula.

Cerca de 95% da formação do ATP na célula ocorrem nas mitocôndrias. O

ácido pirúvico, derivado dos carboidratos, ácidos graxos dos lipídios, e

aminoácidos das proteínas são convertidos no composto acetil-coenzima A

(CoA), na matriz das mitocôndrias. Esse composto, por sua vez, é

processado (para fins de extração de sua energia) por outra série de enzimas

na matriz das mitocôndrias; essa sequência de reações químicas é chamada

ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. Essas reações químicas são tão

importantes que serão explicadas detalhadamente no Capítulo 68.

No ciclo do ácido cítrico, a acetil-CoA é clivada em suas partes

componentes, átomos de hidrogênio e dióxido de carbono. O dióxido de

carbono se difunde para fora das mitocôndrias e eventualmente para fora da

célula; por fim, é excretado do corpo pelos pulmões.

Os átomos de hidrogênio, de modo inverso, são muito reativos e se

combinam com o oxigênio que também se difundiu para as mitocôndrias.

Essa combinação libera uma quantidade enorme de energia, usada pelas

mitocôndrias para converter grande quantidade do ADP em ATP. Essas

reações são complexas, requerendo a participação de grandes números de

enzimas proteicas, que são partes integrantes das dobras da membrana das

mitocôndrias, pro jetando-se para dentro da matriz mitocondrial. O evento inicial é a remoção de um elétron do átomo de hidrogênio, o que o converte

a íon hidrogênio. O evento final é a combinação dos íons hidrogênio com o

oxigênio para formar água, com liberação de enorme quantidade de energia

para grandes proteínas globulares, que se projetam como protuberâncias das

dobras das membranas mitocondriais; esse processo recebe o nome de ATP-

sintetase. Por fim, a enzima ATP sintetase usa a energia dos íons hidrogênio

para converter ADP em ATP. O ATP recém-formado é transportado para

fora da mitocôndria, para todas as partes do citoplasma e do nucleoplasma

da célula, onde sua energia é usada para múltiplas funções celulares.

Esse processo geral de formação de ATP é chamado mecanismo

quimiosmótico. Os detalhes químicos e físicos desse mecanismo são

apresentados no Capítulo 68, e muitas das funções metabólicas do ATP no

corpo são apresentadas em detalhes nos Capítulos 68 a 72.

 

Usos do ATP no Funcionamento Celular. A energia do ATP é usada

para promover três grandes categorias de funções celulares: (1) transporte

de substâncias através das membranas da célula; (2) síntese de componentes

químicos pela célula; e (3) função mecânica. Esses usos do ATP são

ilustrados pelos exemplos da Figura 2-16: (1) para fornecer energia para o

transporte do sódio através da membrana celular; (2) para promover a

síntese de proteínas pelos ribossomos; e (3) para suprir a energia necessária

para a contração muscular.

Além do transporte do sódio pela membrana, a energia do ATP é

necessária para o transporte dos íons potássio, íons cálcio, íons magnésio,

íons fosfato, íons cloreto, íons urato, íons hidrogênio e de muitos outros

íons e de diversas substân cias orgânicas pela membrana. O transporte pela

membra na é tão importante para o funcionamento celular que algumas

células — as células tubulares renais, por exemplo — usam até 80% do

ATP que formam somente para essa finalidade.

Além de sintetizar proteínas, as células sintetizam fosfolipídios, colesterol,

purinas, pirimidinas e uma série de outras substâncias. A síntese de quase

todos os compostos químicos requer energia. Por exemplo, uma só

molécula de proteína pode ser composta de vários milhares de amino ácidos,

unidos uns aos outros por ligações peptídicas. A formação de cada uma

dessas ligações requer energia derivada do rompimento de quatro ligações

de alta energia; assim, diversos milhares de moléculas de ATP têm de

liberar energia para cada molécula de proteína formada. De fato, algumas

células usam até 75% de todo o ATP que formam simplesmente para

sintetizar novos compostos químicos, especialmente moléculas de proteína;

isso é particularmente verdadeiro durante a fase de crescimento das células.

O último dos principais usos do ATP é o de fornecer energia para células

especiais realizarem trabalho mecânico. Veremos, noCapítulo 6, que cada

contração da fibra muscular requer gasto de enorme quantidade de energia

do ATP. Outras células realizam trabalho mecânico de outras formas,

especialmente por movimentos ciliares e ameboides, descritos mais adiante

neste Capítulo. A fonte de energia para todos esses tipos de trabalhos

mecânicos é o ATP.

Em suma, o ATP está sempre disponível para liberar rapidamente e quase

explosivamente sua energia onde for necessário na célula. Para repor o ATP

usado pela célula, reações químicas muito mais lentas quebram

carboidratos, gorduras e proteínas e usam a energia desses processos para

formar novo ATP. Mais de 95% desse ATP são formados nas mitocôndrias;

por isso as mitocôndrias são chamadas “casa de força” da célula.