Estrutura Física da Célula

despolimerizado e utilizado com rapidez para suprir as necessidades

energéticas das células.

 

ESTRUTURA FÍSICA DA CÉLULA

 

A célula contém estruturas físicas altamente organizadas, chamadas

organelas intracelulares. A natureza física de cada organela é tão

importante quanto os constituintes químicos da célula para a função celular.

Por exemplo, sem uma das organelas, as mitocôndrias, mais de 95% da

liberação de energia dos nutrientes na célula cessariam imediatamente. As

organelas mais importantes e outras estruturas da célula são mostradas na

Figura 2-2.

Figura 2-2. Reconstrução de célula típica, mostrando as organelas internas no citoplasma e no núcleo.

 

ESTRUTURAS MEMBRANOSAS DA CÉLULA

 

A maioria das organelas da célula é delimitada por membranas compostas

primariamente de lipídios e proteínas. Essas membranas incluem a

membrana celular, a membrana nuclear, a membrana do retículo endoplasmático, e as membranas das mitocôndrias, dos lisossomos e do

complexo golgiense.

Os lipídios das membranas formam barreira que impede o movimento de

água e substâncias hidrossolúveis de um compartimento da célula para

outro, pois a água não é solúvel em lipídios. Entretanto, moléculas de

proteína nas membranas, em geral, penetram completamente na membrana,

formando, assim, vias especializadas, contendo, em sua maioria, poros para

a passagem de substâncias específicas através da membrana. Além disso,

muitas outras proteínas da membrana são enzimas que catalisam uma série

de diferentes reações químicas, discutidas aqui e nos Capítulos

subsequentes.

 

Membrana Celular

A membrana celular (também chamada membrana plasmática) envolve a

célula e é uma estrutura fina, flexível e elástica, de 7,5 a 10 nanômetros de

espessura. É composta quase totalmente de proteínas e lipídios. A

composição aproximada é a seguinte: proteínas, 55%; fosfolipídios, 25%;

colesterol, 13%; outros lipídios, 4%; e carboidratos, 3%.

 

A Barreira Lipídica da Membrana Celular Impede a Penetração

de Substâncias Hidrossolúveis. A Figura 2-3 mostra a estrutura da

membrana celular. Sua estrutura básica é a bicamada lipídica, um fino

filme, formado por dupla camada de lipídios — cada camada com espessura

de apenas uma molécula — contínua por toda a superfície da célula.

Dispersas nesse filme lipídico existem grandes proteínas globulares.

A dupla camada lipídica básica é composta de três tipos principais de

lipídios: fosfolipídios, esfingolipídios e colesterol. Os fosfolipídios são os

lipídios mais abundantes da membrana celular. Uma extremidade da

molécula de fosfolipídio é solúvel em água; ou seja, é hidrofílica. A outra extremidade é solúvel apenas em lipídios; ou seja, é hidrofóbica. A

extremidade do fosfolipídio com fosfato é hidrofílica, e a extremidade com

ácido graxo é hidro fóbica.

Pelo fato de as partes hidrofóbicas das moléculas de fosfolipídio serem

repelidas pela água, mas, se atraírem entre si, elas espontaneamente se

dispõem no interior da membrana, conforme mostra a Figura 2-3. As partes

hidrofílicas com fosfato constituem as duas superfícies da membrana

celular completa, em contato com a água intracelular na superfície interna

da membrana, e com a água extracelular na superfície externa.

A camada lipídica, no meio da membrana, é impermeá vel às substâncias

hidrossolúveis comuns, como íons, glicose e ureia. Inversamente, as

substâncias lipossolúveis, como oxigênio, dióxido de carbono e álcool,

podem entrar nessa parte da membrana com facilidade.

Os esfingolipídios, derivados do aminoálcool esfingosina, também têm

grupos hidrofóbicos e hidrofílicos e estão presentes em pequenas

quantidades nas membranas celulares, particularmente nas células nervosas.

Acredita-se que os esfingolipídios complexos das membranas celulares

sirvam a várias funções, tais como a proteção contra fatores ambientais

prejudiciais, a transmissão de sinais e como sítios de adesão para proteínas

extracelulares.

As moléculas de colesterol na membrana também são lipídios, pois seus

núcleos esteroides são altamente lipossolúveis. Essas moléculas, em certo

sentido, estão dissolvidas na bicamada da membrana. Elas contribuem,

prin cipalmente, para a determinação do grau de permeabilidade (ou

impermeabilidade) da dupla camada aos constituintes hidrossolúveis dos

líquidos corporais. O colesterol regula muito a fluidez da membrana.

Figura 2-3. Estrutura da membrana celular mostrando que ela é composta principalmente de uma bicamada lipídica de moléculas de fosfolipídio, mas com grandes números de moléculas de proteína que se projetam na membrana. Além disso, carboidratos estão ligados às moléculas de proteína no exterior da membrana, e moléculas de proteína adicionais encontram-se no interior. (Modificada de Lodish HF, Rothman JE: The assembly of cell membranes. Sci Am 240:48, 1979. Copyright George V. Kevin.)

 

Proteínas Integrantes e Periféricas da Membrana Celular.

A Figura 2-3 também mostra massas globulares flutuando na bicamada

lipídica. Essas proteínas de membrana são essencialmente glicoproteínas.

Existem dois tipos de proteínas da membrana celular: as proteínas integrantes, que atravessam toda a membrana, e as proteínas periféricas,

ligadas à superfície da membrana e não a penetram.

Muitas das proteínas integrantes formam canais estruturais (ou poros),

pelos quais as moléculas de água e substâncias hidrossolúveis,

principalmente os íons, podem se difundir entre os líquidos extra e

intracelulares. Esses canais, formados por proteínas, também apresentam

propriedades seletivas, permitindo a difusão preferencial de algumas

substâncias em relação a outras.

Outras proteínas integrantes agem como proteínas carreadoras para o

transporte de substâncias que, do contrário, não poderiam penetrar na dupla

camada lipídica. Por vezes, essas proteínas carreadoras transportam até

substâncias na direção oposta à dos seus gradientes eletroquímicos para a

difusão, o que é chamado “transporte ativo”. Outras ainda agem como

enzimas.

Proteínas integrantes da membrana também podem servir como receptores

para substâncias químicas hidrossolúveis, tais como hormônios peptídios,

que não penetram facilmente na membrana celular. A interação dos

receptores da membrana celular com ligantes específicos, que se ligam ao

receptor, causa alterações estruturais na proteína receptora. Por sua vez,

esse processo estimula a atividade enzimática da parte intracelular da

proteína ou induz interações entre o receptor e as proteínas do citoplasma

que agem como segundos mensageiros, transmitindo o sinal da parte

extracelular do receptor para o interior da célula. Dessa maneira, as

proteínas integrantes atravessando a membrana celular constituem um meio

de transmitir informações sobre o ambiente para o interior da célula.

Moléculas das proteínas periféricas são, frequentemente, ligadas às

proteínas integrantes. Essas proteínas periféricas funcionam quase sempre

como enzimas ou como controladores do transporte de substâncias através

dos “poros” da membrana celular.

Carboidratos da Membrana — O “Glicocálice” Celular. Os

carboidratos na membrana ocorrem, quase invariavelmente, em combinação

com proteínas ou lipídios, na forma de glicoproteínas ou glicolipídios. Na

verdade, muitas das proteínas integrantes são glicoproteínas, e cerca de um

décimo das moléculas de lipídios da membrana é composto de glicolipídios.

As porções “glico” dessas moléculas quase invariavelmente se estendem

para fora da célula, na superfície externa da membrana celular. Muitos

outros compostos de carboidrato, chamados proteoglicanos — que são

principalmente carboidratos ligados ao núcleo de pequenas proteínas —,

estão frouxamente ligados também à superfície externa da célula. Dessa

forma, toda a superfície externa da célula, em geral, apresenta revestimento

frouxo de carboidrato, chamado glicocálice.

Os domínios de carboidratos, ligados à superfície externa da célula,

exercem várias funções importantes:

1. Muitos deles têm carga elétrica negativa, o que dá à maioria das células

uma superfície negativamente carregada que repele ânions.

2. O glicocálice de algumas células se une ao glicocálice de outras, assim

fixando as células umas às outras.

3. Muitos dos carboidratos agem como receptores de substância para a

ligação de hormônios, tais como a insulina; quando a ligação se dá, a

combinação ativa as proteínas internas acopladas que, por sua vez,

ativam cascata de enzimas intracelulares.

4. Alguns domínios de carboidratos participam de reações imunes, como

será discutido no Capítulo 35.

 

O CITOPLASMA E SUAS ORGANELAS

 

O citoplasma contém partículas dispersas, minúsculas e grandes, e

organelas. A parte fluida gelatinosa e transparente do citoplasma, onde as partículas ficam dispersas, é chamada citosol; contém, principalmente,

proteínas dissolvidas, eletrólitos e glicose.

Dispersos no citoplasma encontram-se os glóbulos de gordura neutra,

grânulos de glicogênio, ribossomos, vesículas secretórias e cinco organelas

especialmente importantes: o retículo endoplasmático, o complexo

golgiense, as mitocôndrias, os lisossomos e os peroxissomos.

 

Retículo Endoplasmático

A Figura 2-2 mostra rede de estruturas vesiculares, tubulares e achatadas no

citoplasma; é o retículo endoplasmático. Essa organela ajuda a processar as

moléculas produzidas pela célula e as transporta para os seus destinos

específicos, dentro ou fora da célula. Os túbulos e as vesículas se

interconectam. Suas paredes também são constituídas por membranas com

dupla camada lipídica, com grande quantidade de proteínas, similares às da

membrana celular. A área total dessas estruturas, em algumas células — por

exemplo, nas células hepáticas —, pode ser de até 30 ou 40 vezes a área da

membrana celular.

A estrutura detalhada de pequena porção do retículo endoplasmático é

mostrada na Figura 2-4. O espaço interno dos túbulos e das vesículas é

cheio de matriz endoplasmática, meio aquoso que é diferente do líquido do

citosol, externo ao retículo endoplasmático. Micrografias eletrônicas

mostram que o espaço interno do retículo endoplasmático é conectado com

o espaço entre as duas superfícies da membrana nuclear.

As substâncias, formadas em algumas partes da célula, entram no espaço

do retículo endoplasmático e são, então, direcionadas para outras partes da

célula. Também, a vasta área da superfície desse retículo e os múltiplos

sistemas de enzima anexados às suas membranas fornecem a maquinaria

para grande parte das funções metabólicas da célula.

Figura 2-4. Estrutura do retículo endoplasmático. (Modificada de DeRobertis EDP, Saez FA, DeRobertis EMF: Cell Biology, 6th ed. Philadelphia: WB Saunders, 1975.)

 

 

Ribossomos e Retículo Endoplasmático Granular. Ancoradas na

superfície externa de muitas partes do retículo endoplasmático estão

numerosas partículas granulares e minúsculas, chamadas ribossomos. Onde

essas partículas estão presentes, o retículo é chamado retículo

endoplasmático granular. Os ribossomos são compostos de mistura de

RNA e de proteínas, e funcionam na síntese de novas moléculas de

proteínas na célula, como discutido, mais adiante, neste Capítulo e

no Capítulo 3.

 

Retículo Endoplasmático Agranular. Parte do retículo

endoplasmático não contém ribossomos. Essa parte é chamada retículo

endoplasmático agranular ou liso. O retículo agranular serve para a síntese de substâncias lipídicas e para outros processos das células, promovidos

pelas enzimas intrarreticulares.

 

Complexo golgiense

 

O complexo golgiense, mostrado na Figura 2-5, está intimamente

relacionado com o retículo endoplasmático. Ele tem membranas parecidas

com as do retículo endoplasmático agranular. Normalmente, é composto de

quatro ou mais camadas de vesículas fechadas, finas e achatadas,

empilhadas e dispostas na vizinhança de um dos lados do núcleo. Esse

complexo ocorre, destacadamente, em células secretórias, localizado no

polo da célula por onde se dá a secreção.

O complexo golgiense funciona em associação ao retículo

endoplasmático. Conforme mostra a Figura 2-5, pequenas “vesículas de

transporte” (também chamadas vesículas do retículo endoplasmático, ou

vesículas RE) destacam-se do retículo endoplasmático e, logo depois, se

fundem com o complexo golgiense. As substâncias contidas nas vesículas

RE são transportadas do retículo endoplasmático para o complexo

golgiense. As substâncias transportadas são então processadas no complexo

golgiense para formar lisossomos, vesículas secretórias e outros

componentes citoplasmáticos, discutidos mais adiante neste Capítulo.

Figura 2-5. Complexo golgiense típico e sua relação com o retículo endoplasmático (RE) e com o núcleo.

 

Lisossomos

 

Os lisossomos, mostrados na Figura 2-2, são organelas vesiculares que se

formam separando-se do complexo golgiense e, depois, se dispersando pelo

citoplasma. Os lisossomos constituem um sistema digestivo intracelular

que permite que a célula digira (1) estruturas celulares danificadas, (2)

partículas de alimentos que foram ingeridos pela célula e (3) materiais

indesejados, tais como bactérias. O lisossomo é muito diferente nos

diversos tipos de células, mas geralmente tem diâmetro de 250 a 750

nanômetros. É cercado por membrana de dupla camada lipídica e contém

grande número de pequenos grânulos, de 5 a 8 nanômetros de diâmetro, que

são agregados proteicos, com até 40 diferentes enzimas hidrolases

(digestivas). Uma enzima hidrolítica é capaz de quebrar composto orgânico em duas ou mais partes, combinando o hidrogênio de uma molécula de água

com uma parte hidroxila do composto da molécula de água com a outra

parte do composto. Assim, a proteína é hidrolisada para formar

aminoácidos, o glicogênio é hidrolisado para formar a glicose e os lipídios

são hidrolisados para formar ácidos graxos e glicerol.

As enzimas hidrolíticas estão altamente concentradas nos lisossomos.

Comumente, a membrana que circunda o lisossomo evita que as enzimas

hidrolíticas, nele contidas, entrem em contato com outras substâncias na

célula e, portanto, impede suas ações digestivas. Entretanto, algumas

condições da célula rompem as membranas de alguns dos lisossomos,

permitindo a liberação das enzimas digestivas. Essas enzimas, então, clivam

as substâncias orgânicas com as quais entram em contato em moléculas

pequenas altamente difundíveis, tais como aminoácidos e glicose. Algumas

das funções mais específicas dos lisossomos serão discutidas mais adiante

neste Capítulo.

 

Peroxissomos

 

Os peroxissomos são fisicamente parecidos com os lisossomos, mas

diferentes em dois aspectos importantes. Primeiro, acredita-se que eles

sejam formados por autorreplicação (ou talvez por brotamento do retículo

endoplasmático liso) e não pelo complexo golgiense. Em segundo lugar,

eles contêm oxidases em vez de hidrolases. Diversas oxidases são capazes

de combinar oxigênio com íons hidrogênio derivados de diferentes

substâncias químicas intracelulares para formar o peróxido de hidrogênio

(H O ). O peróxido de hidrogênio é substância altamente oxidante e usado 2 2

em combinação com a catalase, outra oxidase presente em grande

quantidade nos peroxissomos, para oxidar muitas substâncias que de outra

forma poderiam ser tóxicas para a célula. Por exemplo, cerca de metade do

álcool que uma pessoa bebe é desintoxicada para acetaldeído pelos peroxissomos das células hepáticas dessa maneira. Uma função importante

dos peroxissomos consiste em catabolizar os ácidos graxos de cadeia longa.

 

Vesículas Secretórias

 

Uma das importantes funções de várias células é a secreção de substâncias

químicas específicas. Quase todas essas substâncias secretadas são

formadas pelo sistema reticuloendoplasmático–complexo golgiense, sendo,

então, liberadas pelo complexo golgiense no citoplasma, na forma de

vesículas de armazenamento, chamadas vesículas secretórias ou grânulos

secretórios. A Figura 2-6mostra vesículas secretórias típicas nas células

acinares pancreáticas; essas vesículas armazenam proteínas que são

proenzimas (enzimas que ainda não foram ativadas). As proenzimas são

secretadas, posteriormente, através da membrana celular apical no ducto

pancreático e daí para o duodeno, onde se tornam ativas e realizam funções

digestivas sobre o alimento no trato intestinal.

 

Figura 2-6. Grânulos secretórios (vesículas secretórias) em células acinares do pâncreas. Mitocôndrias

As mitocôndrias, mostradas nas Figuras 2-2 e 2-7, são chamadas “casa de

força” da célula. Sem elas, as células seriam incapazes de extrair energia

suficiente dos nutrientes e essencialmente todas as funções celulares

cessariam.

As mitocôndrias estão em todas as áreas citoplasmáticas de cada célula,

mas o número total por célula varia de menos de cem até vários milhares,

dependendo da quantidade de energia necessária para a célula. As células

do músculo cardíaco (cardiomiócitos), por exemplo, utilizam grandes

quantidades de energia e têm muito mais mitocôndrias do que as células de

gordura (adipócitos), que são muito menos ativas e consomem menos

energia. Além disso, as mitocôndrias estão concentradas nas porções da

célula responsáveis pela maior parte do seu metabolismo energético.

Também variam de tamanho e de forma. Algumas mitocôndrias têm apenas

algumas centenas de nanômetros de diâmetro e forma globular, ao passo

que outras são alongadas — chegam a 1 micrômetro de diâmetro e 7

micrômetros de comprimento; outras ainda são ramificadas e filamentares.

A estrutura básica da mitocôndria, mostrada na Figura 2-7, é composta

principalmente de duas membranas, cada uma formada por bicamada

lipídica e proteínas: uma membrana externa e uma membrana interna.

Diversas dobras da membrana interna formam prateleiras ou túbulos

chamados cristas, em que estão aderidas as enzimas oxidativas. As cristas

proporcionam uma grande superfície para que tenham lugar as reações

químicas. Além disso, a cavidade interna da mitocôndria é preenchida por

uma matriz que contém grandes quantidades de enzimas dissolvidas,

necessárias para a extração de energia dos nutrientes. Essas enzimas operam

em associação às enzimas oxidativas nas cristas, oxidando os nutrientes,

formando, desse modo, dióxido de carbono e água e, ao mesmo tempo,

liberando energia. A energia liberada é usada para sintetizar a substân cia de “alta energia”, chamada trifosfato de adenosina (ATP). O ATP é, então,

transportado para fora da mitocôndria e se difunde pela célula para liberar

sua própria energia onde ela for necessária para realizar as funções

celulares. Os detalhes químicos da formação de ATP pela mitocôndria

constam no Capítulo 68, mas algumas das funções básicas do ATP na célula

são apresentadas mais adiante neste Capítulo.

As mitocôndrias são autorreplicantes, o que significa que uma

mitocôndria pode formar uma segunda, uma terceira, e assim por diante,

onde na célula houver necessidade de maiores quantidades de ATP. De fato,

a mitocôndria contém DNA similar ao encontrado no núcleo da célula.

No Capítulo 3 veremos que o DNA é a substância química básica do núcleo

que controla a replicação da célula. O DNA da mitocôndria desempenha um

papel similar, controlando a replicação da própria mitocôndria. As células

que enfrentam aumentos na demanda de energia, o que ocorre, por exemplo,

nos músculos esqueléticos submetidos a treinamento crônico de exercícios,

podem aumentar a densidade de mitocôndrias para fornecer a energia

adicional necessária.

Figura 2-7. Estrutura da mitocôndria. (Modificada de DeRobertis EDP, Saez FA, DeRobertis EMF: Cell Biology, 6th ed. Philadelphia: WB Saunders, 1975.)

 

Citoesqueleto Celular — Filamentos e Estruturas

Tubulares da Célula

O citoesqueleto celular é uma rede de proteínas fibrilares geralmente

organizadas em filamentos ou túbulos. As moléculas precursoras de

proteína são sintetizadas pelos ribossomos no citoplasma. As moléculas

precursoras então se polimerizam para formar filamentos. Como um

exemplo, grandes quantidades de filamentos de actina geralmente ocorrem

na zona mais externa do citoplasma, chamada ectoplasma, e formam um

suporte elástico para a membrana celular. Também, em células musculares,

os filamentos de actina e miosina são organizados em uma máquina

contrátil especial que é a base da contração muscular, como discutiremos

detalhadamente no Capítulo 6.

Um tipo especial de filamento rígido, composto de moléculas de tubulina

polimerizadas, é usado em todas as células para construir estruturas

tubulares muito fortes, os microtúbulos. A Figura 2-8 mostra os

microtúbulos típicos do flagelo de um espermatozoide.

Outro exemplo de microtúbulo é a estrutura esquelética tubular no centro

de cada cílio que se projeta do citoplasma da célula para a ponta do cílio.

Essa estrutura será discutida adiante, neste Capítulo, e é ilustrada na Figura

2-18. Além disso, tanto os centríolos quanto o fuso mitótico da célula em

mitose são compostos de microtúbulos rígidos.

A função primária dos microtúbulos, assim, é a de formar o citoesqueleto,

proporcionando estruturas físicas rígidas para certas partes de células. O

citoesqueleto da célula não só determina a forma da célula, como também

participa na divisão celular, permite o seu movimento e proporciona um

sistema de trilhas que dirige o movimento das organelas no interior das

células.

Figura 2-8. Microtúbulos separados do flagelo de um espermatozoide. (De Wolstenholme GEW, O’Connor M, e the publisher, JA Churchill, 1967. Figura 4, página 314. Copyright Novartis Foundation, antiga Ciba Foundation.)

 

Núcleo

 

O núcleo, que é o centro de controle da célula, envia mensagens para a

célula crescer e amadurecer, para replicar ou para morrer. Resumidamente,

o núcleo contém grande quanti dade de DNA, que compreende os genes.

Estes determinam as características das proteínas da célula, incluindo as

proteínas estruturais, como também as enzimas intracelulares que controlam

as atividades citoplasmáticas e nucleares.

Os genes também controlam e promovem a reprodução da própria célula.

Os genes primeiro se replicam para formar dois conjuntos idênticos de

genes; depois, a célula se divide, por processo especial, chamado mitose,

para formar duas células-filhas, e cada uma delas recebe um dos dois

conjuntos de genes de DNA. Todas essas atividades do núcleo serão

detalhadamente consideradas no Capítulo 3.

Infelizmente, a aparência do núcleo ao microscópio não fornece muitas

pistas sobre os mecanismos pelos quais realiza suas atividades de controle.

A Figura 2-9 mostra a aparência do núcleo na interfase (o período entre as

mitoses) ao microscópio óptico, revelando a coloração escura da cromatina

dispersa pelo nucleoplasma. Durante a mitose, a cromatina se organiza na

forma de cromossomos altamente estruturados, que podem, então, ser

identificados pelo microscópio óptico, conforme ilustrado no Capítulo 3.

 

Figura 2-9. Estrutura do núcleo.

 

Membrana Nuclear. A membrana nuclear, também chamada envelope

nuclear, é, na verdade, constituída por duas membranas, cada uma com a

bicamada lipídica uma por dentro da outra. A membrana externa é contínua

com o retículo endoplasmático do citoplasma celular, e o espaço entre as

duas membranas nucleares é contínuo com o espaço interno do retículo

endoplasmático, como mostrado na Figura 2-9.

A membrana nuclear é vazada por vários milhares de poros nucleares.

Grandes complexos de moléculas de proteínas estão aderidos às bordas dos poros, de forma que a área central de cada poro tem apenas cerca de 9