Biologia e biomecanica - unicesumar

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BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA PROFESSORA

Dr.ª Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

NEAD Núcleo de Educação a Distância Av. Guedner, 1610, Bloco 4 Jd. Aclimação - Cep 87050-900 Maringá - Paraná www.unicesumar.edu.br | 0800 600 6360

C397 CENTRO UNIVERSITÁRIO DE MARINGÁ. Núcleo de Educação a Distância; LARA-KAMEI, Marcia Cristina de Souza.

Biologia e Bioquímica Humana. Marcia Cristina de Souza Lara Kamei.

Reimpressão

Maringá - PR.:UniCesumar, 2018. 192 p.



“Graduação em Educação Física - EaD”.



1. Biologia 2. Bioquímica. 3. Humana EaD. I. Título.



ISBN 978-85-459-0661-2

CDD - 22ª Ed. 572 CIP - NBR 12899 - AACR/2

DIREÇÃO UNICESUMAR Reitor Wilson de Matos Silva, Vice-Reitor Wilson de Matos Silva Filho, Pró-Reitor Executivo de EAD William Victor Kendrick de Matos Silva, Pró-Reitor de Ensino de EAD Janes Fidélis Tomelin, Presidente da Mantenedora Cláudio Ferdinandi. NEAD - NÚCLEO DE EDUCAÇÃO A DISTÂNCIA Diretoria Executiva Chrystiano Mincoff, James Prestes, Tiago Stachon, Diretoria de Graduação e Pós-graduação Kátia Coelho, Diretoria de Permanência Leonardo Spaine, Diretoria de Design Educacional Débora Leite, Head de Produção de Conteúdos Celso Luiz Braga de Souza Filho, Head de Curadoria e Inovação Jorge Luiz Vargas Prudencio de Barros Pires, Gerência de Produção de Conteúdo Diogo Ribeiro Garcia, Gerência de Projetos Especiais Daniel Fuverki Hey, Gerência de Processos Acadêmicos Taessa Penha Shiraishi Vieira, Gerência de Curadoria Giovana Costa Alfredo, Supervisão do Núcleo de Produção de Materiais Nádila Toledo, Supervisão Operacional de Ensino Luiz Arthur Sanglard.

Coordenador(a) de Conteúdo Mara Cecilia Rafael Lopes, Projeto Gráfico e Editoração José Jhonny Coelho, Designer Educacional Yasminn Talyta Tavares Zagonel e Aguinaldo Jose Lorca Ventura Junior, Qualidade Editorial e Textual Daniel F. Hey, Hellyery Agda, Revisão Textual Daniela Ferreira dos Santos e Pedro Afonso Barth , Ilustração Bruno Pardinho, Fotos Shutterstock.

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Wilson Matos da Silva Reitor da Unicesumar

Viver e trabalhar em uma sociedade global é um grande desafio para todos os cidadãos. A busca por tecnologia, informação, conhecimento de qualidade, novas habilidades para liderança e solução de problemas com eficiência tornou-se uma questão de sobrevivência no mundo do trabalho. Cada um de nós tem uma grande responsabilidade: as escolhas que fizermos por nós e pelos nossos fará grande diferença no futuro. Com essa visão, o Centro Universitário Cesumar assume o compromisso de democratizar o conhecimento por meio de alta tecnologia e contribuir para o futuro dos brasileiros. No cumprimento de sua missão – “promover a educação de qualidade nas diferentes áreas do conhecimento, formando profissionais cidadãos que contribuam para o desenvolvimento de uma sociedade justa e solidária” –, o Centro Universitário Cesumar busca a integração do ensino-pesquisa-extensão com

as demandas institucionais e sociais; a realização de uma prática acadêmica que contribua para o desenvolvimento da consciência social e política e, por fim, a democratização do conhecimento acadêmico com a articulação e a integração com a sociedade. Diante disso, o Centro Universitário Cesumar almeja ser reconhecida como uma instituição universitária de referência regional e nacional pela qualidade e compromisso do corpo docente; aquisição de competências institucionais para o desenvolvimento de linhas de pesquisa; consolidação da extensão universitária; qualidade da oferta dos ensinos presencial e a distância; bem-estar e satisfação da comunidade interna; qualidade da gestão acadêmica e administrativa; compromisso social de inclusão; processos de cooperação e parceria com o mundo do trabalho, como também pelo compromisso e relacionamento permanente com os egressos, incentivando a educação continuada.

boas-vindas

Willian V. K. de Matos Silva Pró-Reitor da Unicesumar EaD

Prezado(a) Acadêmico(a), bem-vindo(a) à Comunidade do Conhecimento. Essa é a característica principal pela qual a Unicesumar tem sido conhecida pelos nossos alunos, professores e pela nossa sociedade. Porém, é importante destacar aqui que não estamos falando mais daquele conhecimento estático, repetitivo, local e elitizado, mas de um conhecimento dinâmico, renovável em minutos, atemporal, global, democratizado, transformado pelas tecnologias digitais e virtuais. De fato, as tecnologias de informação e comunicação têm nos aproximado cada vez mais de pessoas, lugares, informações, da educação por meio da conectividade via internet, do acesso wireless em diferentes lugares e da mobilidade dos celulares. As redes sociais, os sites, blogs e os tablets aceleraram a informação e a produção do conhecimento, que não reconhece mais fuso horário e atravessa oceanos em segundos.

A apropriação dessa nova forma de conhecer transformou-se hoje em um dos principais fatores de agregação de valor, de superação das desigualdades, propagação de trabalho qualificado e de bem-estar. Logo, como agente social, convido você a saber cada vez mais, a conhecer, entender, selecionar e usar a tecnologia que temos e que está disponível. Da mesma forma que a imprensa de Gutenberg modificou toda uma cultura e forma de conhecer, as tecnologias atuais e suas novas ferramentas, equipamentos e aplicações estão mudando a nossa cultura e transformando a todos nós. Então, priorizar o conhecimento hoje, por meio da Educação a Distância (EAD), significa possibilitar o contato com ambientes cativantes, ricos em informações e interatividade. É um processo desafiador, que ao mesmo tempo abrirá as portas para melhores oportunidades. Como já disse Sócrates, “a vida sem desafios não vale a pena ser vivida”. É isso que a EAD da Unicesumar se propõe a fazer.

boas-vindas

Janes Fidélis Tomelin Pró-Reitor de Ensino de EAD

Débora do Nascimento Leite Diretoria de Design Educacional

Seja bem-vindo(a), caro(a) acadêmico(a)! Você está iniciando um processo de transformação, pois quando investimos em nossa formação, seja ela pessoal ou profissional, nos transformamos e, consequentemente, transformamos também a sociedade na qual estamos inseridos. De que forma o fazemos? Criando oportunidades e/ou estabelecendo mudanças capazes de alcançar um nível de desenvolvimento compatível com os desafios que surgem no mundo contemporâneo. O Centro Universitário Cesumar mediante o Núcleo de Educação a Distância, o(a) acompanhará durante todo este processo, pois conforme Freire (1996): “Os homens se educam juntos, na transformação do mundo”. Os materiais produzidos oferecem linguagem dialógica e encontram-se integrados à proposta pedagógica, contribuindo no processo educacional, complementando sua formação profissional, desenvolvendo competências e habilidades, e aplicando conceitos teóricos em situação de realidade,

Kátia Solange Coelho Diretoria de Graduação e Pós-graduação

Leonardo Spaine

Diretoria de Permanência

de maneira a inseri-lo no mercado de trabalho. Ou seja, estes materiais têm como principal objetivo “provocar uma aproximação entre você e o conteúdo”, desta forma possibilita o desenvolvimento da autonomia em busca dos conhecimentos necessários para a sua formação pessoal e profissional. Portanto, nossa distância nesse processo de crescimento e construção do conhecimento deve ser apenas geográfica. Utilize os diversos recursos pedagógicos que o Centro Universitário Cesumar lhe possibilita. Ou seja, acesse regularmente o AVA – Ambiente Virtual de Aprendizagem, interaja nos fóruns e enquetes, assista às aulas ao vivo e participe das discussões. Além disso, lembre-se que existe uma equipe de professores e tutores que se encontra disponível para sanar suas dúvidas e auxiliá-lo(a) em seu processo de aprendizagem, possibilitando-lhe trilhar com tranquilidade e segurança sua trajetória acadêmica.

Professora Doutora

Marcia Cristina de Souza Lara Kamei Doutorado em Ciências Biológicas pela Universidade Estadual de Maringá (UEM/2015). Mestrado em Ciências Biológicas pela UEM (1998). Graduação em Ciências Biológicas pela UEM (1994). Atualmente é docente dos cursos da área de saúde do Centro Universitário Cesumar (Unicesumar) desde 1998, ministrando as disciplinas de Biologia Celular, Bioquímica, Histologia e Embriologia Geral e Oral. Produz pesquisas na área de Genética Animal (Citogenética de Peixes) e orienta trabalhos de iniciação científica e de conclusão de curso. Participa de bancas e comissões científicas, ministra tópicos em cursos de especialização; além de ter feito parte do comitê de ética em pesquisa de humanos e animais. Para informações mais detalhadas sobre sua atuação profissional, pesquisas e publicações, acesse o currículo, disponível no endereço a seguir:

apresentação do material

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA Prof.ª Dr.ª Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

Caro(a) aluno(a)! Você ingressou em um curso que trabalhará com o organismo humano e seu desenvolvimento, dessa forma, faz-se necessário que você conheça as bases estruturais e funcionais desse organismo. Para conhecer esse organismo, você terá acesso a diversas disciplinas no decorrer do curso, incluindo essa que trabalharemos a partir de agora. Somos organismos pluricelulares, isto é, formados por aproximadamente dez trilhões de células. Durante nosso desenvolvimento embrionário, nossas células tornaram-se especializadas. Por isso possuímos diferentes tipos de tecidos com funções específicas, como o tecido epitelial, conjuntivo, tecido muscular e tecido nervoso. Apesar de toda a diversidade de tecidos e órgãos que formam nosso corpo, cada célula é uma unidade morfológica e funcional desse organismo e nossas atividades metabólicas são resultados do funcionamento individual e integrado de cada uma dessas, sendo que a nossa vida, depende da manutenção da integridade morfológica e funcional de cada uma delas. A atividade metabólica das células é definida como um conjunto de reações químicas no interior deste sistema biológico e para compreender estas atividade temos que, primeiramente entender sua constituição bioquímica e o arranjo dessas moléculas na estrutura dos elementos que formam as células. Ao cursar esta disciplina, você terá um conhecimento básico sobre a estrutura morfológica e funcional do organismo humano - a célula e a construção do conhecimento sobre o organismo humano terão como alicerce, o conhecimento a respeito da constituição química das células, sua estrutura morfológica e suas interações metabólicas para obtenção de recursos que mantenham a manutenção biológica do organismo humano. Esperamos que você possa se tornar íntimo dos conhecimentos abordados neste livro e que faça bom proveito para seus estudos.

sum ário

UNIDADE I

CARACTERIZAÇÃO BIOQUÍMICA DAS CÉLULAS

14 Origem e Evolução das Células 16 Células Procariontes

96 Ciclo Celular - Interfase e Divisão Celular Mitótica 102 Divisão Celular - Meiose 112 Citoesqueleto

18 Células Eucariontes

118 Célula Estriada Esquelética - Contração Muscular

22 Constituição Bioquímica das Células Moléculas Inorgânicas

UNIDADE IV

26 Constituição Bioquímica das Células Proteínas e Enzimas

DISPONIBILIZAÇÃO DE ENERGIA PARA A CÉLULA - DEGRADAÇÃO DE CARBOIDRATOS

32 Constituição Bioquímica das Células Carboidratos

136 Introdução ao Metabolismo Energético

34 Constituição Bioquímica das Células Lipídios

142 Glicólise

36 Constituição Bioquímica das Células Ácidos Nucleicos UNIDADE II

140 Estrutura das Mitocôndrias 146 Destino do Piruvato na Via Aeróbica 147 Ciclo do Ácido Cítrico (Ciclo de Krebs) 150 Cadeia Transportadora de Elétrons e Fosforilação Oxidativa

ESTRUTURA E FUNÇÕES DAS ORGANELAS CELULARES DA CÉLULA EUCARIONTE

154 Destino do Piruvato na Via Anaeróbica

52 Membrana Plasmática

UNIDADE V

58 Mecanismos de Transporte por meio das Membranas Celulares

TRANSFORMAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA O METABOLISMO CELULAR DEGRADAÇÃO DE LIPÍDIOS E PROTEÍNAS

64 Sistema de Endomembranas 68 Síntese e Exportação de Macromoléculas

168 Degradação de Triacilgliceróis

74 Vias Intracelulares de Degradação - Endocitose e Lisossomos

180 Metabolismo do Glicogênio

174 Degradação de Proteínas 182 Gliconeogênese

UNIDADE III

MOVIMENTO E PROLIFERAÇÃO CELULAR

92 Núcleo Interfásico

CARACTERIZAÇÃO BIOQUÍMICA DAS CÉLULAS

Professora Dra. Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: • Origem e evolução das células • Células procariontes • Células eucariontes • Constituição bioquímica das células - Moléculas inorgânicas • Constituição bioquímica das células - Proteínas e enzimas • Constituição bioquímica das células - Carboidratos • Constituição bioquímica das células - Lipídios • Constituição bioquímica das células - Ácidos nucleicos

Objetivos de Aprendizagem • Reconhecer a célula como unidade fundamental da vida. • Diferenciar células eucariontes e procariontes. • Compreender as funções biológicas da água e outros elementos inorgânicos para o metabolismo celular. • Compreender a estrutura e funções das moléculas orgânicas para o metabolismo celular.

unidade

I

INTRODUÇÃO

Olá, aluno(a)! Olhe a sua volta e observe a grande variedade de formas de seres vivos. A evolução produziu uma imensa diversidade de formas de vida. Devido a essa grande diversidade, os seres vivos estão organizados em grupos: os reinos monera, protozoa, fungi, plantae e animalia. O organismo humano representa uma espécie extremamente complexa do ponto de vista anatômico e fisiológico, sendo formado por sistemas, órgão e diferentes tipos de tecidos biológicos. Em outro extremo, temos organismos mais simples, constituídos por uma única célula e que realizam todas as atividades metabólicas do organismo humano. Apesar de toda a diversidade, no nível molecular e celular, os seres vivos apresentam um padrão básico de organização em sua constituição. Todos os seres vivos são formados por células. A estrutura celular é resultado de uma interação de moléculas inorgânicas (água e minerais) e orgânicas (proteínas, lipídios, ácidos nucleicos e carboidratos), organizadas de maneira muito precisa. Atualmente, existem dois tipos morfológicos distintos de células: procarionte e eucarionte. A célula procarionte é encontrada apenas nos integrantes do reino monera (bactérias) e a célula eucarionte é encontrada em todos os demais tipos de seres vivos. A presente unidade tem como objetivos principais compreender a estrutura dos dois tipos celulares e caracterizar os principais elementos estruturais da célula eucarionte, bem como conhecer as principais moléculas que constituem as células. Ao ler esta unidade, você será convidado a mergulhar nos conceitos fundamentais da Biologia Celular e Molecular e compreenderá, que na sua essência bioquímica e celular, a vida é extremamente simples e padronizada. Ótimo estudo!

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Origem e Evolução

das Células

Estudos evolutivos indicam que, no início da formação da Terra, não haviam seres vivos no planeta, e que a vida ocorreu como um evento ao acaso, resultante da organização de moléculas orgânicas, que surgiram de reações químicas aleatória e espontâneas entre os elementos inorgânicos. Esse processo evolutivo começou a 4 bilhões de anos, em um período em que a atmosfera tinha uma composição distinta da atual. As moléculas mais abundantes eram: água, amônia, metano, hidrogê14

nio, sulfeto de hidrogênio e gás carbônico. Com a ação do calor, radiação e descargas elétricas constantes essas moléculas sofreram reações químicas espontâneas, aleatórias e formaram compostos orgânicos como proteínas e ácidos nucleicos. Essa teoria é conhecida como teoria pré-biótica e apresenta como argumento científico o experimento proposto por Stanley L. Miller que simulou em laboratório estas condições atmosféricas e obteve formação espontânea de elementos orgânicos.

EDUCAÇÃO FÍSICA

As primeiras células eram estruturas simples, certamente heterotróficas e anaeróbicas e foram denominadas de células procariontes. Essas primeiras formas de vida eram estruturalmente semelhantes às nossas bactérias atuais. A partir do desenvolvimento da vida, as alterações químicas na molécula de DNA promovem características novas. Dessa forma, por meio de uma série de mutações, novas características foram surgindo, dando origem à célula eucarionte que forma todos os demais seres vivos, com exceção de bactérias (ALBERTS et al., 2011).

Figura 1 - Experimento de Stanley Miller para argumentação da teoria pré-biótica Fonte: Junqueira et al. (2012, p.11).

Essas moléculas orgânicas se depositaram em ambientes aquosos, que estavam se formando na superfície do planeta pelo processo de resfriamento. Reações químicas continuaram ocorrendo entre elas e, gradativamente, as moléculas orgânicas foram se tornando cada vez mais complexas. O acúmulo gradual dos compostos orgânicos foi favorecido por três circunstâncias: (1) enorme extensão da Terra com formação de vários nichos; (2) longo tempo provavelmente cerca de 2 bilhões e (3) ausência de oxigênio que impedia que as moléculas sofressem degradação. O isolamento dessas moléculas se deu pela organização de camadas de fosfolipídios, que espontaneamente, no meio aquoso formaram as primeiras membranas, originando, desta forma, as primeiras células.

Figura 2 - Esquema ilustrando o processo evolutivo de transformação de células procariontes em células eucariontes Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 12).

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Células

Procariontes Do ponto de vista evolutivo, as células procariontes são consideradas antecessoras das células eucariontes. Fósseis que datam de três bilhões de anos são exclusivamente formados por células procariontes. Provavelmente, células eucariontes surgiram bilhões de anos após as procariontes, por mecanismos de mutações das células. Atualmente, as células procariontes são encontradas apenas nos organismo que formam o reino monera, ou seja, as bactérias. 16

A principal diferença estrutural entre as células procariontes e as células eucariontes é a ausência de um envoltório nuclear, organizando um núcleo verdadeiro nas células procariontes, enquanto nas células eucariontes este envoltório compartimentaliza um ambiente complexo denominado de núcleo (JUNQUEIRA et al., 2012). Embora a complexidade nuclear seja critério para a classificação desses dois tipos celulares, existem outras diferenças marcantes entre células procariontes e eucariontes.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Células procariontes são “pobres” em membranas. Nelas a única membrana existente é a membrana plasmática, portanto, não existem compartimentos individualizados no seu citoplasma. Na célula eucarionte, esses compartimentos delimitados por membranas são denominados de organelas. A célula procarionte mais bem estudada é a Escherichia Coli (E. Coli) e usaremos sua estrutura para descrever as características de uma célula procarionte. Você pode acompanhar a estrutura observando a imagem a seguir:

se estão acoplados à membrana plasmática. Essa membrana apresenta invaginações denominada mesossomos que ampliam a área da membrana citoplasmática, aumentando o número destes complexos enzimáticos. Parede celular: localizada externamente à membrana citoplasmática, constituída por rede rígida que serve de proteção mecânica. Apresenta duas camadas - a mais interna constituída de peptideoglicanas e a mais externa, chamada de membrana externa. Essa parede contribui para o equilíbrio da pressão osmótica. Protoplasma: ambiente interno da célula. Encontramos as partículas responsáveis pela síntese de proteínas - ribossomos que podem estar agrupados em polirribossomos. O protoplasma contém também água, íons, moléculas de RNAs, proteínas estruturais, enzimas. O DNA está localizado em uma região específica, denominada nucleoide. Por ser o único compartimento da célula, todas as reações metabólicas são realizadas no protoplasma.

Figura 3 - Esquema da estrutura de células procariontes Fonte: Bio conexão (2015, on-line)1.

Membrana citoplasmática: estrutura lipoprotéica que delimita a célula, separando o meio extracelular e intracelular. Apresentam permeabilidade seletiva sendo responsável por troca de elementos entre os meios intra e extracelulares. É importante salientar que os componentes enzimáticos da cadeia respiratória e da fotossínte-

Cromossomos: a molécula de DNA principal da célula procarionte está organizada em um único cromossomo de forma circular, formando o nucleoide. Além do DNA principal do nucleoide, as células procariontes apresentam pedaços pequenos de DNA também circular chamado de plasmídeos. Esses plasmídeos podem ser trocados por tipos diferente de bactéria, por meio de vários mecanismos e estão associados a variabilidade genética das bactérias. Essas características determinadas pelo DNA dos plasmídeos podem conferir características que resultam em resistência a antibióticos ou características de patogenicidade. 17

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Células

Eucariontes Como explicado anteriormente, células eucariontes desenvolveram-se a partir de células procariontes. Os compartimentos delimitados por membranas internas, são denominados de organelas e cada compartimento apresenta diferenças bioquímicas que permitem que cada organela desempenhem funções específicas. A célula eucarionte se diferencia da célula procarionte, por apresentar uma vasta rede de mem18

branas internas, que como toda membrana celular, além de delimitar, promove transporte seletivo. Essa compartimentalização promove maior eficiência metabólica. Além das organelas, o citoplasma pode apresentar depósitos de substâncias diversas, como grânulos de glicogênio e gotículas de lipídios. Preenchendo assim, os espaços entre as organelas e os depósitos, teremos o hialoplasma (ALBERTS et al., 2011).

EDUCAÇÃO FÍSICA

Figura 4 - Esquema de uma célula eucarionte animal Fonte: Junqueira et al. (2012, p.12).

Figura 5 - Esquema de uma célula eucarionte vegetal Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 259).

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Nas imagens, observamos uma célula eucarionte animal e outra célula eucarionte vegetal. Vamos descrever suas estruturas? Membrana Plasmática: é a parte mais externa que delimita o citoplasma, contribui para manter constante o meio intracelular e diferenciá-lo do meio extracelular. Formada por bicamada de fosfolipídios e grande diversidade de proteínas. Na camada externa de fosfolipídios existem molécula de glicolipídios com suas porções glicídicas projetando-se para o meio externo da célula, formando uma camada denominada de glicocálice ou glicocálix. Mitocôndrias: organelas esféricas ou alongadas, presentes em grandes quantidades e revestidas por duas membranas. Sua principal função é liberar a energia obtida da degradação de moléculas orgânicas e transferir esta energia para a síntese de moléculas de Adenosina Trifosfato (ATPs). O

Figura 6 - Esquema do retículo endoplasmático liso e rugoso Fonte: adaptada de IES Dionisio Aguado ([2016], on-line)2.

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ATP será o armazenador temporário dessa energia e utilizará para as diversas atividades metabólicas da célula. Retículo Endoplasmático: rede de membranas que formam cisternas achatadas e tubulares que se intercomunicam e formam um sistema contínuo. Podemos diferenciar esta rede de membranas em duas porções: Retículo Endoplasmático Rugoso: região do retículo endoplasmático onde há ribossomos aderidos na face citosólica da membrana. Essa condição faz com que as cisternas se tornem achatadas. Essa porção do retículo endoplasmático está associada a síntese de proteínas. Retículo Endoplasmático Liso: região do retículo endoplasmático sem ribossomos aderidos. As cisternas são tubulares. Essa porção do retículo endoplasmático está associada a síntese de lipídios e degradação de metabólitos tóxicos para a célula.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Aparelho de Golgi: um conjunto de membranas achatadas que se empilham formando unidades funcionais denominadas de Dictiossomo que cada um apresenta uma face convexa - face cis e uma face côncava - face trans. Está envolvido com o processamento e distribuição das macromoléculas que começaram a serem sintetizadas no retículo endoplasmático liso e rugoso. Lisossomos: formas e tamanhos variáveis. No interior há uma gama de enzimas utilizadas para digestão de macromoléculas. Essas organelas apresentam seu interior ácido. Estão envolvidas com a digestão de moléculas englobadas por endocitose e também de organelas que não estão sendo utilizadas. Endossomos: vesículas oriundas do processo de endocitose. Constituem uma rede complexa de vesículas que são encaminhadas para a digestão. Peroxissomos: contém enzimas oxidativas que transferem átomos de hidrogênio de diversos substratos para o oxigênio formando os peróxidos. RH2 + O2 → R + H2O2 Os peroxissomos possuem catalase, uma enzima que converte o peróxido de hidrogênio em água e oxigênio. Isto é de extrema importância, pois, o peróxido de hidrogênio é um oxidante energético e extremamente prejudicial a célula. 2 H2O2 Catalase → 2 H20 + O2 Núcleo: organela constituída por envoltório nuclear formado por duas membranas separando o DNA das células eucariontes. No interior deste

núcleo o DNA está associado a moléculas de proteínas, formando o arranjo de cromatina. Citoesqueleto: apesar de não ser uma organela, o citoesqueleto também diferencia as células eucariontes dos procariontes. Constituído por uma rede de filamentos proteicos que formam uma trama, esta estrutura tem papel de promover a manutenção da forma, papel mecânico de sustentação das organelas, adesão celular e movimentos celulares diversos. Os principais elementos que formam o citoesqueleto são os microtúbulos, filamentos de actina e filamento intermediários. Além dessas organelas, existem as que são encontradas apenas em células eucariontes vegetais que apresentam as estruturas básica das células eucariontes animais. Não estudaremos as células vegetais, porém as principais diferenças com as células animais são: Presença de parede celular: além da membrana plasmática, as células vegetais apresentam parede de celulose que lhes conferem maior resistência mecânica. Presença de plastídios: organelas que armazenam diversos tipos diferentes de substâncias. Os plastídios que não armazenam substâncias pigmentadas são chamados de leucoplastos e os que armazenam substâncias pigmentadas são chamados de cromoplastos, dos quais os mais frequentes são os cloroplastos, ricos em clorofila. Vacúolos citoplasmáticos: ocupam maior parte do citoplasma reduzindo o citoplasma funcional a uma pequena faixa.

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Constituição Bioquímica das Células

Moléculas Inorgânicas Após uma visão panorâmica da estrutura das células eucariontes, vamos agora conhecer seus componentes químicos. Como já introduzido anteriormente, as moléculas que formam as células são padronizadas em todas as formas de seres vivos. Além das biomoléculas, as células apresentam também, elementos inorgânicos em sua constituição. Os componentes químicos da célula são classificados em inorgânicos - águas e minerais e orgânicos - carboidratos, proteínas, ácidos nucleicos e lipídios. Do total dos elementos químicos presentes nas células, cerca de 75% a 85% correspondem à água, 22

entre 2% a 3% corresponde a sais inorgânicos e o restante correspondem as biomoléculas que são elementos moleculares grandes, formados pela repetição de unidades menores padronizadas e que definimos como polímero. Os polímeros são macromoléculas e suas unidades repetitivas são os monômeros (JUNQUEIRA et al., 2012). Nas células encontramos três polímeros importantes: ácidos nucleicos, polissacarídeos e proteínas. A atividade química integrada entre os componentes orgânicos e inorgânicos será responsável pelo metabolismo, uma das condições da vida.

EDUCAÇÃO FÍSICA

ÁGUA As primeiras células se desenvolveram em meio aquoso e durante muito tempo a vida existia apenas na água. Atualmente, temos formas de vida fora da água, porém, todas as formas de vida dependem da água. Essa molécula não é uma molécula inerte com função apenas de preencher os espaços do citosol e dissolver moléculas, mas a água participa ativamente nas propriedade das biomoléculas e de suas interações químicas. Apesar de ser representada pela fórmula H-O-H, a molécula de água não é um bastão reto. Os dois átomos de hidrogênios formam com o oxigênio um ângulo de 104,9o. A estrutura tridimensional depende da forte atração exercida pelo oxigênio sobre os elétrons que são compartilhados com os hidrogênios. Em razão desse deslocamento dos elétrons, a molécula é relativamente positiva no lado dos dois hidrogênios e relativamente negativa no lado do oxigênio, sendo, desta forma, um dipolo como você pode observar na imagem.

Figura 7 - Esquema da estrutura molecular da água Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 43).

Por ser dipolar, a água é um bom solvente. Ela dissolve compostos que apresentam cargas (moléculas polares), pois, o dipolo da água tende a atrair os polos positivos e negativos das moléculas, por exemplo: Na+Cl-. Por ser um bom solvente a água atua como veículo de transporte para diversas moléculas nos ambientes intracelular e extracelular (STRYER et al., 2014). Conforme a interação com a água, as moléculas são classificadas em: • Moléculas polares: (com cargas) possuem afinidades pelo dipolo da água e, portanto, são atraídas e dissolvidas quando em contato com a água, sendo denominadas de hidrofílicas. Ex.: Na+Cl-. • Moléculas apolares: (sem cargas) não são atraídas pelo dipolo da água, sendo, portanto, insolúveis em água e denominadas de hidrofóbicas. • Moléculas anfipáticas: moléculas grandes com grupamentos polares que não se distribuem ao longo de toda a molécula, portanto, a polarização não abrange a molécula inteira, somente uma parte. A região na qual estão localizados os grupamentos polares e hidrofílica e o restante da molécula é hidrofóbica. Outra propriedade da molécula de água é sua ionização formando uma ânion hidroxila (OH-) e um próton H+. Esses íons são doados para diversas reações químicas do metabolismo e também contribuem para a manutenção do Potencial Hidrogeniônico (pH) dos sistemas biológicos. A água também atua absorvendo calor e impedindo o aumento drástico da temperatura dos sistemas biológicos, portanto, transpirar é um mal necessário. 23

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

SAIBA MAIS

Durante uma atividade física a maioria das pessoas pensam que a transpiração é sinal de perda de peso. Será que isso é realmente verdade? Transpirar durante a atividade física não significa necessariamente que você está emagrecendo. É certo que alguns atletas forçam a transpiração em saunas para perder peso nos dias que antecedem uma competição, mas isso não funciona para os praticantes de atividades físicas diárias. Na verdade, o suor transmite uma falsa sensação de emagrecimento. A transpiração acontece por causa da intensidade do exercício físico, por causa da temperatura e do tipo de ambiente em que o esporte é praticado. É importante que as pessoas compreendam que emagrecer não significa perder água, mas perder gordura corporal. Assim, a afirmação de que suar emagrece é um mito! Suar não emagrece, então não pense em praticar atividades físicas em dias de calor intenso para forçar uma transpiração intensa. Isso só vai resultar em problemas para a sua saúde. Fonte: Portal O Jornal (2016, on-line)3.

MINERAIS

Figura 8 - Estrutura química de moléculas anfipáticas e sua representação esquemática Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 62).

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Os minerais são encontrados em pequenas quantidades na constituição celular, porém, apresentam papel fundamental. Alguns minerais estão na forma dissociada, sendo encontrados cátions (positivos) e ânions (negativos). Alguns exemplos de cátions que predominam no interior da célula são K+ e Mg+2, enquanto os ânions mais abundantes são HPO4-2. Os sais dissociados em cátions e ânions são importantes para manter o equilíbrio ácido-básico e para manter a pressão osmótica.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Alguns íons são cofatores de enzimas (Mg+2), transmissores de sinais (Ca+2) e também formam outras moléculas, como o fosfato que estão associados a lipídios e a molécula de adenosina (ATP - Adenosina trifosfato e ADP - adenosina difosfato). Certos minerais são encontrados na forma não ionizada, por exemplo, o cálcio que forma os cristais de hidroxiapatita nos ossos e dentes, o ferro que está associado a hemoglobina. Para a atividade metabólica correta das células, pequenas quantidades de manganês, cobre, cobalto, selênio, zinco que atuam como cofatores enzimático e iodo que é um componente dos hormônios da tireoide.

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BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Constituição Bioquímica das

Células - Proteínas e Enzimas Daremos início ao estudo dos componentes orgânicos das células. Iniciaremos analisando as proteínas, que além de serem os elementos orgânicos mais abundantes nas células, são as moléculas mais diversificadas em formas e funções.

FUNÇÕES DAS PROTEÍNAS As proteínas exercem funções estruturais e dinâmicas. São elas: • Formam elementos estruturais do nosso organismo como músculo, ossos, dentes, pelos etc. • São responsáveis por movimentos do orga26

nismo (contração muscular) e das células (cílios, flagelos e pseudópodes). • Atuam na defesa por meio de imunoglobulinas (anticorpos). • Transportam substâncias no organismo (hemoglobina) e nas células (permeases e bombas). • Formam hormônios e neurotransmissores que controlam as atividades fisiológicas dos organismos pluricelulares (Obs.: alguns hormônios apresentam constituição lipídica hormônios esteroides). Apresentam ação enzimática, controlando as atividades metabólicas.

EDUCAÇÃO FÍSICA

REFLITA

O poder aquisitivo do atleta e os aspectos culturais podem se constituir como importantes determinantes da qualidade e da quantidade de alimentos consumidos. Será que todos podem ter acesso aos nutrientes necessários para o bom desempenho em competições?

PROTEÍNAS SÃO POLÍMEROS DE AMINOÁCIDOS Nos sistemas biológicos, várias macromoléculas são formadas por elementos menores padronizados que se repetem. Esses elementos menores são denominados monômero e a macromolécula é denominada de polímero. Aminoácidos são os monômeros responsáveis pela construção das proteínas. Os diferentes tipos de aminoácidos se unem por ligações peptídicas e formam a proteína.

H COOH

O

ESTRUTURA QUÍMICA DE AMINOÁCIDOS:

R

Os aminoácidos se unem por meio de seus grupamentos amina e carboxila, levando a formação de uma molécula de água, esta ligação denominada de ligação peptídica.

C H2N CH

H

α

C

NH2

COOH Figura 9 - Fórmula geral básica de aminoácidos Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 45).

OH + H

H2O

N CH CH2OH

CH3

O H COOH C

H2N

CH

N CH CH2OH

CH3

Figura 10 - Ligação peptídica Fonte: Junqueira et al. (2012, p.45).

Apesar da imensa diversidade das proteínas, existem apenas 20 tipos diferentes de aminoácidos, que mudam apenas em seu grupamento variável.

27

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Figura 11 - Tabela com fórmula dos 20 tipos diferentes de aminoácidos Fonte: Junqueira et al. (2012, p.45).

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EDUCAÇÃO FÍSICA

O que faz uma proteína ser diferente de outra é a sequência que esses aminoácidos serão adicionados. Essa sequência está determinada no gene (segmento de DNA) que é transcrito e dá origem ao RNAm (mensageiro), cuja sequência de três nucleotídeos (códon) determina a adição de um aminoácido específico na proteína que está sendo fabricada.

ESTRUTURA TRIDIMENSIONAL DE PROTEÍNAS No início de sua síntese a proteína é uma sequência linear de aminoácidos e essa conformação é chamada de estrutura primária da proteína e é mantido pela ligação entre os aminoácidos. Essa é uma ligação covalente e somente poderá ser desfeita por ação de enzimas. A proteína funcional irá assumir outros arranjos que dependem da sequência de aminoácidos (MARZZOCO; TORRES, 2015). Os aminoácidos vizinhos interagem por meio de seus grupamentos (cadeia lateral) por interações do tipo pontes de hidrogênio e originam o arranjo de α-hélice espiralada ou α-pregueada, considerado estrutura secundária das proteínas. Considerando a interação que os aminoácidos distantes podem sofrer, a proteína irá se dobrar sobre ela mesma e formar uma estrutura globular denominada de estrutura terciária. Essas interações que mantêm a estrutura terciária são as pontes de hidrogênio, pontes dissulfeto (entre dois átomos de enxofre) e interações hidrofóbicas. Ainda temos as interações que ocorrem entre duas cadeias distintas de aminoácidos e dão origem a proteínas formadas por mais de uma sequência polipeptídica, considerado como estrutura quaternária da proteína. Essas também são as pontes de hidrogênio. Observe na imagem cada uma dessas estruturas tridimensionais.

Figura 12 - Esquemas das estruturas tridimensionais assumidas pelas proteínas Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.17 ,20, 21, 24).

Quando uma proteína é sintetizada na célula, sua estrutura primária dobra-se espontaneamente, originando as estruturas secundárias e terciárias, e se for característico da referida proteína, assume também a estrutura quaternária. Essa conformação assumida assim que a proteína é sintetizada é a mais estável que a molécula pode assumir e é chamada da configuração nativa. 29

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DESNATURAÇÃO PROTEÍCA

ENZIMAS

Como elucidado acima, apenas a estrutura primária é mantida por interação química forte - a ligação peptídica, enquanto as demais são mantidas por interações fracas. Alterações físicas e químicas nos ambientes biológicos podem interferir nas estruturas mantidas por interações fracas - secundária, terciária e quaternária, promovendo a desnaturação das proteínas. Os agentes capazes de causar desnaturação proteica são as altas temperaturas, valores de pHs muito ácidos ou muito básicos, adições de detergentes que interferem na interação hidrofóbica das moléculas e de solventes orgânicos polares que apresentam facilidade em promover pontes de hidrogênios (NELSON et al. 2013). Proteínas desnaturadas perdem suas propriedades e suas funções biológicas. Portanto, os sistemas biológicos devem ser mantidos em temperaturas e pHs específicos ou terão seu metabolismo alterado.

A manutenção das atividades metabólicas que definimos como vida depende da contínua ocorrência de um conjunto de reações químicas que devem atender dois critérios: (1) devem ocorrer em velocidades adequadas à fisiologia celular e (2) precisam ser altamente específicas para não gerarem produtos intermediários nocivos. Essas exigências não seriam possíveis se esperássemos que as reações metabólicas ocorresse espontaneamente. A presença de enzimas dirigindo todas as reações químicas nos sistemas biológicos permitem que essas exigências sejam contempladas. As reações são dirigidas pela ação de enzimas, permitindo que estas condições sejam atendidas. Com as enzimas atuando como catalisadores, aumentam a velocidade das reações aumenta e por serem as enzimas altamente específicas, selecionam as reações mais diretas possíveis. Até pouco tempo, admitia-se que apenas moléculas proteicas fossem proteínas, porém, atualmente sabemos que há alguns RNAs que desempenham função enzimática. Essas moléculas são raras e restritas a alguns casos especiais. Portanto, nossa abordagem será feita considerando apenas as enzimas proteicas. As enzimas são proteínas conjugadas e apresentam íons ou moléculas orgânicas e inorgânicas associadas ao elemento proteico. Quando for íons chamamos de cofator e quando for moléculas, chamamos de coenzimas. A porção proteica da enzima é chamada de apoenzima e é inativa. O complexo enzima/cofator é chamado de holoenzima. Muitas coenzimas são formadas por vitaminas do complexo B, como riboflavina, tiamina, nicotinamida.

Figura 13 - Proteína em estrutura terciária sofrendo desnaturação proteica Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 46).

Proteínas podem apresentar apenas aminoácidos em sua constituição, sendo denominados de proteínas simples ou possuírem outros elementos em sua constituição, sendo denominadas de proteínas conjugadas. Como exemplo de proteínas conjugadas, podemos citar a hemoglobina, responsável pela distribuição de O2 nos nossos tecidos, que possui em sua constituição um grupamento heme - molécula de porfirina ligada a átomos de ferro. 30

EDUCAÇÃO FÍSICA

Ação enzimática O composto que sofrerá a ação catalítica da enzima é chamado de substrato. A enzima deverá se encaixar tridimensionalmente nesse substrato e para que isso ocorra existem regiões específicas, com afinidade química e conformação tridimensional. Essas regiões específicas da enzimas na qual os substratos permaneceram encaixado chama-se sítio ativo (NELSON et al., 2013). Ao permanecer encaixado no sítio ativo, o substrato sofrerá uma reação química específica e perderá a afinidade pelo sítio ativo, sendo então, liberado como produto da ação da enzima. Devido ao mecanismo de ação das enzimas, elas demonstram alta especificidade pelos substratos que atuam, pois, há especificidade química e estrutura para o perfeito encaixe.

Figura 14 - Esquema ilustrando o mecanismo de ação enzimática Fonte: Junqueira et al. (2012, p.50).

Fatores que interferem na ação das enzimas Como são elementos proteicos, as enzimas podem ter a velocidade de sua reação influenciada por aumento de temperatura e variação do pH, pois sofrem o processo de desnaturação. Não é de se estranhar que cada enzima funcione melhor em determinado pH (STRYER et al., 2014). A temperatura influencia a ação de enzimas, pois em baixas temperaturas a cinética das moléculas (enzimas/substrato) é pequena e demora mais tempo para o encaixe. Conforme a temperatura aumenta, a cinética é maior e maior é a velocidade de ação. No entanto em uma determinada temperatura a porção proteica da enzima sofre desnaturação e a velocidade diminui. Se a temperatura continuar a aumentar, teremos a inativação completa da reação catalisada pela enzima. 31

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Constituição Bioquímica

das Células - Carboidratos Os carboidratos são compostos por carbono, hidrogênio e oxigênio, na proporção de Cn(H2O)n. Veja o exemplo da fórmula da molécula de glicose, que é o carboidrato mais abundante do planeta, para associar a esta fórmula: C6H12O6. No entanto, alguns carboidratos não apresentam essa fórmula geral, por exemplo a glicosamina.

FUNÇÕES DOS CARBOIDRATOS Os carboidratos representam a principal fonte de energia para as células. Apesar de seu papel ener32

gético predominante, podemos reconhecer outras funções: • Reconhecimento celular: formam a glicoproteínas que atuam como receptores nas membranas e glicocálice. • Função estrutural: formam as glicoproteínas da matriz extracelular dos tecidos, formam a parede de células vegetais e formam o exoesqueleto de vários grupos de animais (quitina).

EDUCAÇÃO FÍSICA

CLASSIFICAÇÃO DOS CARBOIDRATOS De acordo com o número de monossacarídeos, classificamos os carboidratos em: monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Monossacarídeos: são os tipos mais simples de carboidratos, e recebem nomes de acordo com o número de átomos de carbono. Triose (3), tetrose (4), pentose (5), hexose (6) e heptose (7). Os monossacarídeos mais abundantes nos seres vivos são os com cinco e seis átomos de carbonos, pentoses e hexoses, respectivamente. Observe as fórmulas químicas de alguns monossacarídeos mais comuns.

Oligossacarídeos: são formados por um pequeno número de monossacarídeos. Os oligossacarídeos mais comuns são os formados por dois monossacarídeos e denominados de dissacarídeos. Os dissacarídeos mais abundantes podem ser visualizados nas fórmulas a seguir: HOCH2 H

O

H

HO

H

OH

H

H

OH

O

(Glicose)

Sacarose

HOCH2 OH H

H

O

HOCH2

H

H

HO

OH

H

CH2OH

(Frutose)

HOCH2 O

H O

OH

H

H

OH

(Galactose)

H

Lactose

H

O

OH

H

H

OH

H OH

(Glicose)

Figura 16 - Fórmulas químicas de dissacarídeos mais comuns Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 89).

Figura 15: Fórmulas químicas de monossacarídeos mais comuns Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 88).

Outros oligossacarídeos estão associados a lipídios e proteínas formando os radicais de carboidratos de glicolipídios e glicoproteínas presentes nas membranas plasmática das células e matriz extracelulares dos tecidos. Polissacarídeos: esses são os carboidratos mais complexos, formados por muitas unidades de monossacarídeos. Os polissacarídeos mais abundantes são o amido, glicogênio e celulose. Esses três polissacarídeos são formados por muitos monossacarídeos de glicose. Glicogênio e amido exercem função de reserva de energia, sendo o glicogênio de reserva animal e o amido de reserva vegetal. A celulose é um polissacarídeo de função estrutural, formando a parede celular de células vegetais. 33

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Constituição Bioquímica

das Células - Lipídios Constituem uma classe de compostos com estrutura bem variada, que não são caracterizados por suas estruturas químicas, mas por sua baixa solubilidade em água. Em função dessa definição, os lipídios formam um grupo muito variável.

ÁCIDOS GRAXOS São ácidos monocarboxílicos, geralmente com uma cadeia longa de carbono, podendo apresentar apenas ligações simples entre átomos de carbono (saturados), ou uma ou mais duplas ligações entre átomos de carbonos (saturados e poliinsaturados, respectivamente). 34

Figura 17 - Fórmulas de ácidos graxos mais abundantes. Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 91).

EDUCAÇÃO FÍSICA

Ácidos graxos livres são raramente encontrados nas células, normalmente estão associados a um álcool, glicerol, por exemplo. Os lipídios que apresentam ácido graxo em sua constituição podem ser classificados por suas funções, existindo, desta forma, dois grupos: lipídios estruturais e lipídios de reserva energéticas. Lípidos de reserva energética: são formados principalmente por triacilgliceróis (triglicerídios). Constituído por glicerol ligados a três moléculas de ácidos graxos. Os ácidos graxos possuem longas cadeias hidrocarbonadas e são chamados de saturados, quando houver apenas ligações simples entre átomos de carbono e insaturados quando houver uma ou mais duplas ligações entre os átomos de carbono. Estão presentes no citoplasma de quase todas as células, mas existem células especializadas em armazenamento de triglicerídeos, chamadas de células adiposas. O

1

1

H2C OH

H2C

O

OH

HC

O

H2C OH

H2C

O

HC

2

C O

1

3

Glicerol

C

O

1

C

16 9

18

9 18 Triacilglicerol (1-palmitoil-2, 3-dioleil-glicerol)

Figura 18 - Esquemas de fórmulas de triglicerídeos Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 94).

Lipídios estruturais: formam todas as membranas celulares. São moléculas anfipáticas com uma região hidrofílica e caudas hidrofóbicas (cadeias de ácidos graxos). São mais complexos que os lipídios de reserva energéticas.

Figura 19 - Esquema da fórmula estrutural de um lipídio estrutural. Esse tipo de lipídio está presente na estrutura das membranas celulares Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 62).

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Constituição Bioquímica

das Células - Ácidos Nucleicos Neste tópico iremos abordar as moléculas responsáveis pelo segredo da vida: os ácidos nucleicos, conhecidos como DNA e RNA. Juntos estas moléculas são responsáveis por todas as características morfológicas e funcionais das células e portanto, dos seres vivos. Também são responsáveis por transmitir estas informações as células descendentes, promovendo a perpetuação dessas características. 36

ÁCIDOS NUCLEICOS SÃO POLÍMEROS DE NUCLEOTÍDEOS DNA - ácido desoxirribonucleico e RNA - ácido ribonucleico são polímeros de unidades chamadas nucleotídeos. Cada nucleotídeo é constituído por uma pentose, um resíduo de ácido fosfórico ligado ao carbono 5 da pentose e uma base nitrogenada ligada ao carbono 1 da pentose (VOET et al., 2014).

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As purinas e a pirimidina citosina se ligam ao carbono 1 dos dois tipos de pentoses. A pirimidina uracila se liga apenas no carbono 1 da ribose, enquanto a pirimidina timina se liga apenas na pentose desoxirribose. Dessa forma, RNA não tem nucleotídeos de timina e DNA não possuem nucleotídeos de uracila.

LIGAÇÃO DIESTER-FOSFATO Figura 20 - Esquema da estrutura de nucleotídeos Fonte: Watson et al. (2015, p. 98).

A união entre a pentose e a base nitrogenada é chamada de nucleosídeo. Existe um tipo de pentose para o DNA, chamada de desoxirribose e outro tipo para o RNA, chamada de ribose.

Os nucleotídeos ligam-se uns aos outros por meio da ligação fosfodiéster, que ocorre entre as pentoses. O radical fosfato de um nucleotídeos, que está ligado ao carbono 5’ se liga ao carbono 3’ da pentose de outro nucleotídeos. Vários nucleotídeos ligados formam uma cadeia polinucleotídica linear, uma vez que, cada nucleotídeo fará apenas duas ligações fosfodiéster. As extremidades da cadeia manterão seus carbonos 3’ e 5’, um em cada extremidade. Essas extremidades recebem a denominação de extremidade 5’ e 3’, respectivamente (VOET et al., 2014).

ÁCIDO DESOXIRRIBONUCLEICO - DNA O DNA é a molécula responsável por armazenar as informações genéticas que determinarão as características morfológicas e funcionais das células e transmissão dessas características para as células descendentes.

Figura 21 - Desoxirribose - nucleotídeos do DNA e ribose - nucleotídeos do RNA Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 54).

As bases nitrogenadas são classificadas em dois grupos: purinas e pirimidinas.

Estrutura da molécula da DNA A molécula de DNA é constituída por duas cadeias de desoxirribonucleotídeos que interagem entre si por meio de pontes de hidrogênios entre suas bases nitrogenadas. Dessa forma, as bases nitrogenadas ficam no centro da molécula e a pentose e o fosfato ficam na borda da molécula. O posicionamento dos nucleotídeos em cada cadeia é inverso em relação a outra, o que se diz de orientação antiparalela. Em 37

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

função disto as extremidades 3’ e 5’ seguem orientação inversa em cada uma das fitas. No DNA as pontes de hidrogênios realizadas entre as bases nitrogenadas das cadeias antiparalelas, ocorrem especificamente entre adenina - timina e citosina-guanina. Dessa forma, teremos duas cadeias complementares em suas sequências de nucleotídeo. A-T realizam duas pontes de hidrogênio e C-G realiza três pontes. As pontes de hidrogênios são responsáveis pela estabilidade da molécula de DNA.

As duas cadeias polinucleotídicas, antiparalelas e complementares assumem um aspecto levemente retorcido, orientado da esquerda para a direita na maioria das condições do ambiente celular e é chamada de α-hélice. Ao longo da molécula de DNA, cada volta completa na hélice contém 10 nucleotídeos. O diâmetro da molécula é de 2nm (nanômetro), e sua superfície apresenta dois sulcos desiguais: sulco maior e sulco menor. Esse modelo de estrutura da molécula de DNA foi proposto por Watson e Crick em 1953.

Figura 22 - Modelos da estrutura tridimensional da molécula de DNA - Proposta por Watson-Crick (1953) Fonte: Watson et al. (2015, p. 98).

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EDUCAÇÃO FÍSICA

ÁCIDO RIBONUCLEICO - RNA O RNA é uma cópia de segmento da molécula de DNA, que se denomina gene. O RNA vai atuar no processo de síntese de proteínas. A síntese de proteínas será responsável pela expressão das informações contida no DNA. Estrutura da molécula de RNA Formada por uma cadeia simples de nucleotídeos, que como vimos, possui ribose. Quatro variedades de bases nitrogenadas formam os diferentes nucleotídeos. Algumas variedades de RNAs podem apresentar segmento que são complementares A-U, G-C e promovem dobras na molécula, fazendo com que ela exerça funções específicas. Existem três tipos principais de RNAs que participam da síntese protéica: RNAm - mensageiro, RNAt - de transferência e RNAr. • RNAm: formado quando ocorre a transcrição de genes com informações específicas para uma proteína. É uma cadeia linear. No processo de síntese proteica, cada trinca de nucleotídeos (códon) determina a adição de um aminoácido específico. • RNAr: combina-se com diferentes proteínas para formar as subunidades de partículas denominadas de ribossomos. Os ribossomos funcionais existem quando duas subunidade

(maior e menor) estão unidas. Os ribossomos apresentam os sítios ativos que atraem os RNAt para se ligarem aos códons e sítios que catalisam as ligações peptídicas entre os aminoácidos. • RNAt: apresentam uma extremidade com a sequência CCA, que graças a um processo enzimático se liga a um aminoácido. Existe uma especificidade e cada variedade de enzima irá ligar cada um dos 20 tipos diferentes de aminoácidos a um RNAt específico. O RNAt apresenta-se em fita dupla, devido às pontes de hidrogênios entre as bases nitrogenadas complementares. Essas dobras promovem a exposição de uma trinca específica de nucleotídeos denominada anticódon. A complementaridade códon/anticódon é responsável pela adição de uma sequência específica de aminoácidos na proteína codificada por um RNAm.

REFLITA

Será que temos, na espécie humana, diferenças genéticas predominantes em determinadas etnias que favoreça um maior rendimento em diferentes modalidades desportiva?

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considerações finais

Caro(a) aluno(a)! Ao final desta unidade, tivemos uma visão geral da estrutura dos dois tipos celulares que formam os seres vivos atuais - células eucariontes e procariontes. A célula é a base morfológica e funcional de todo e qualquer ser vivo e conhecê-la em seus aspectos morfológicos fornecerá suporte para outras áreas do curso de Educação Física. Células procariontes são células mais simples, não apresentam membranas internas. Foram as primeiras formas de seres vivos a se desenvolverem no planeta e, atualmente, formam as bactérias. Células eucariontes surgiram da evolução de células procariontes. Apresentam uma estrutura morfológica mais complexa, pois apresentam uma série de membranas internas compartimentalizando o citoplasma, que chamamos de organelas. Nas células eucariontes, cada organela desempenha funções específicas. Tivemos também uma visão dos componentes químicos que formam as células: os elementos orgânicos (proteínas, carboidratos, lipídios e ácidos nucleicos) e os elemento inorgânicos (água e sais minerais) e de cada elemento destacamos seu papel biológico principal. Todos os conceitos aqui abordados precisam estar incorporados por você, aluno(a) de Educação Física. Dessa forma, esta unidade nos deu embasamento para prosseguir nas demais abordagens que faremos sobre o metabolismo celular, nas próximas unidades. Até a próxima!!

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atividades de estudo 1. Uma célula animal que sintetiza, armazena e secreta enzimas, deverá ter bastante desenvolvido o: a. Retículo Endoplasmático Granular e o Complexo de Golgi. b. Retículo Endoplasmático Agranular e o Complexo de Golgi. c. Retículo Endoplasmático Granular e os Lisossomos. d. Complexo de Golgi e os Lisossomos. e. Complexo de Golgi e o Condrioma. 2. Considerando-se a definição de enzimas, assinale a alternativa correta: I. São catalisadores orgânicos, de natureza proteica, sensíveis às variações de temperatura. II. São substâncias químicas, de natureza lipídica, sendo consumidas durante o processo químico. III. Apresentam uma região chamada centro ativo, a qual se adapta a molécula do substrato. Assinale: a. Apenas a afirmativa I é correta. b. Apenas as afirmativas II e III são corretas. c. Apenas as afirmativas I e III são corretas. d. Todas as afirmativas são corretas. e. Nenhuma afirmativa é correta. 3. Em 1953, Miller e Urey realizaram experimentos simulando as condições da Terra primitiva: supostamente altas temperaturas e atmosfera composta pelos gases metano, amônia, hidrogênio e vapor dʼágua, sujeita a descargas elétricas intensas. A figura a seguir representa o aparato utilizado por Miller e Urey em seus experimentos.

Eletrodos

H2 H2O

Descargas elétricas

CH4 NH3

Vapor d’água

Área de condensação

Água fervente

Produtos

Fonte: Vestiprovas ([2016], on-line)4.

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atividades de estudo a. Qual a hipótese testada por Miller e Urey nesse experimento? b. Cite um produto obtido que confirmou a hipótese. 4. Cite as organelas encontradas em uma célula eucarionte animal e relacione a função exercida por cada uma. 5. O citoplasma celular é composto por organelas dispersas em uma solução aquosa denominada citosol. A água, portanto, tem um papel fundamental na célula. Das funções que a água desempenha no citosol, qual não está correta? a. Participa no equilíbrio osmótico. b. Catalisa reações químicas. c. Atua como solvente universal. d. Participa de reações de hidrólise. e. Participa no transporte de moléculas.

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LEITURA COMPLEMENTAR

Como regular a atividade de enzimas durante o metabolismo celular? A maioria das enzimas não apresenta constância em suas atividades, podendo facilmente ser modulada. Isso representa uma importante propriedade biológica porque possibilita às células modificar seletivamente a atividade de determinadas enzimas, para adequá-las às necessidades momentâneas que surgem durante a vida da célula. Muitas cadeias enzimáticas são moduladas por autorregulação, sobretudo pelo efeito do produto final da cadeia sobre a primeira enzima da sequência. Por exemplo, a L - treonina é transformada em L - isoleucina por meio de cinco enzimas. A primeira enzima desta cadeia é a L - treonina desaminase, cuja atividade é diminuída ou suprimida por L - isoleucina. Desta forma, a falta de L - isoleucina provoca o funcionamento da cadeia, enquanto suas altas concentrações faz a cadeia diminuir o ritmo e funcionamento ou até mesmo permancer inibida. Dessa forma, a concentração desse aminoácido permanece constante dentro da célula. Esse exemplo citado acima é definido como regulação alostérica. A enzima sensível a este tipo de controle chama-se enzima reguladora, e a substância inibidora é chamado de modulador ou efetor. Na regulação alostérica, o efetor se liga a enzima em um local diferente de seu sítio ativo, denominado de centro alostérico. Como consequência desta ligação, haverá uma mudança tridimensional da molécula de enzima, alterando o sítio ativo e impedindo a ligação do substrato. Outra vezes, a atividade da enzima é modulada pela interação com outras proteínas ou então pela adição covalente de radicais fosfato ao aminoácidos que formam estas enzimas, principalmente serina, treonina ou tirosina. A fosforilação de proteínas desempenha um importante papel regulador não apenas em reações metabólicas, mas também em muitos outros processos como crescimento, diferenciação celular e vários outros mecanismos da atividade celular. Com os mecanismo de controle das cadeias enzimática, a célula metaboliza mantendo o conceito de economia de energia e não haverá acúmulo de compostos desnecessários. Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 51-52).

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Bases da Biologia Celular e Molecular Eduardo de Robertis e José Hib

Editora: Guanabara Koogan Sinopse: esse livro é um livro didático que apresenta os conteúdos básicos de Biologia Celular e Molecular. Inicia-se apresentando a estrutura morfológica das células procariontes e eucariontes e integra a constituição bioquímica das células. Comentário: livro com uma linguagem acessível e bem ilustrado. Será muito útil na aquisição de conceitos fundamentais de Biologia celular e Bioquímica.

referências

ALBERTS, B.; BRAY, D.; HOPKIN, K.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P. Fundamentos da biologia celular. Porto Alegre: Artmed, 2011. ALBERTS, B.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P.; VANZ, A. L. de S.; JOHNSON, A. Biologia molecular da célula. Porto Alegre: Artmed, 2011. JUNQUEIRA, L. C. U.; CARNEIRO, J.; JORDÃO, B. Q.; ANDRADE, C. G. T. J.; YAN, C. Y. I. Biologia celular e molecular. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica básica. São Paulo: Guanabara Koogan, 2015. NELSON, D. L.; COX, M. M.; VEIGA, A. B. G. da.; CONSIGLIO, A. R.; LEHNINGER, A. L.; DALMAZ, C. Lehninger: princípios de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2013. STRYER, L.; TYMOCZKO, J. L.; BERG, J. M. Bioquímica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W.; FETT NETO, A. G. Fundamentos de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2014. WATSON, J.D.; BAKER, T. A.; BELL, S. L.; GANN, A.; LEVINE, M.; LOSICK, R.; VARGAS, A. E.; PASSAGLIA, L. M. P.; FISCHER, R. Biologia molecular do gene. Porto Alegre: Artmed, 2015.

Referências On-Line Em: . Acesso em: 09 dez. 2016. 2 Em: . Acesso em: 09 dez. 2016. 3 Em: . Acesso em: 09 dez. 2016. 4 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 1

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gabarito

1. A. 2. C. 3. a. A hipótese testada foi a teoria pré-biótica que sugere que moléculas inorgânicas reagiram espontaneamente e formaram moléculas orgânicas. b. Os produtos formados foram aminoácidos, nucleotídeos e carboidratos mais simples. 4. Mitocôndrias: liberar a energia obtida da degradação de moléculas orgânicas e transferir esta energia para a síntese de moléculas de ATPs. Retículo endoplasmático rugoso: essa porção do retículo endoplasmático está associada a síntese de proteínas. Retículo endoplasmático liso: essa porção do retículo endoplasmático está associada a síntese de lipídios e degradação de metabolitos tóxicos para a célula. Aparelho de Golgi: processamento e distribuição das macromoléculas que começaram a serem sintetizada no retículo endoplasmático liso e rugoso. Lisossomos: digestão de moléculas englobadas por endocitose e também de organelas que não estão sendo utilizadas. Endossomos: constituem uma rede complexa de vesículas que são encaminhadas para a digestão. Peroxissomos: contém enzimas oxidativas que transferem átomos de hidrogênio de diversos substratos para o oxigênio formando os peróxidos. Núcleo: armazena os ácidos nucleicos, responsáveis pela caracterização morfológica e funcional das células. 5. B. 46

UNIDADE

II

ESTRUTURA E FUNÇÕES DAS ORGANELAS CELULARES DA CÉLULA EUCARIONTE Professora Dr.ª Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: • Membrana plasmática • Mecanismos de transporte por meio das membranas celulares • Sistema de endomembranas • Síntese e exportação de macromoléculas • Vias intracelulares de degradação - endocitose e lisossomos

Objetivos de Aprendizagem • Identificar a constituição química e estrutural das membranas celulares. • Apontar os diferentes mecanismos que promovem o intercâmbio das moléculas entre os meios intracelular e extracelular. • Reconhecer morfológica e funcionalmente as organelas que formam o sistema de endomembranas na célula eucarionte. • Descrever a relação entre as organelas do sistema de endomembranas no processamento de macromoléculas e digestão intracelular.

unidade

II

INTRODUÇÃO

Caro(a) aluno(a)! Você já desvendou a composição química das células e percebeu que do ponto de vista bioquímico existe uma simplicidade fascinante na composição dos seres vivos, uma vez que todos os seres vivos são formados por células e todas as células são constituídas por uma gama padronizada de elementos químicos definidos como moléculas orgânicas. Vamos avançar em nossos conhecimentos sobre a estrutura celular, estudando nesta unidade aspectos morfológicos e funcionais das organelas presentes nas células eucariontes, que como vimos na Unidade I, desenvolveu esses compartimentos durante os processos evolutivos. Vamos abordar também, nesta unidade, a membrana plasmática das células, que é responsável por delimitar o espaço celular e promover o intercâmbio molecular entre o citoplasma e o meio extracelular. Não é possível a sobrevivência da célula se não houver um fluxo constante de moléculas entre esses dois meios. As membranas celulares apresentam uma constituição química e uma organização padronizadas, sendo formados por bicamada de lipídios anfipáticos, com proteínas e radicais de carboidratos associados a esta bicamada, em um modelo que se chama de mosaico fluído. Essa constituição das membranas celulares atende as características das moléculas que as constituem e permite que estas membranas desempenhem várias funções. Ao longo do processo evolutivo, vários mecanismos que promovem a entrada de elementos essenciais ao metabolismo e retirada de compostos indesejáveis resultantes destes metabolismos foram desenvolvidos e para compreensão da fisiologia celular é necessário os diversos mecanismo de transporte por meio das membranas celulares, bem como conhecer a estrutura e funções da membrana plasmática e das organelas citoplasmáticas, dessa forma, vamos desvendar mais uma fascinante abordagem de nossos estudos sobre as células. Ótimo estudo!

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Membrana

Plasmática Aluno(a), agora, conheceremos a membrana plasmática da célula. Essa estrutura delimita o espaço interno das células e promove intercâmbio de moléculas entre o núcleo e o citoplasma. Todas as membranas celulares apresentam o mesmo padrão molecular e o mesmo arranjo dessas moléculas, mas antes de abordarmos a estrutura dessas membranas, faremos uma discussão de suas funções gerais.

FUNÇÃO DAS MEMBRANAS CELULARES De uma maneira geral, as membranas celulares e a membrana plasmática estão envolvidas nos prin52

cipais processos que governam a manutenção e o funcionamento celular. A seguir, serão citadas e abordadas as principais funções atribuídas às membranas celulares as quais são fundamentais para a vida da célula.

Compartimentalização celular A membrana plasmática delimita todos os tipos celulares desde procariontes a eucariontes. Nas células eucarióticas, membranas internas criam subcompartimentos com atividades especializadas. Embora as moléculas na membrana sejam mantidas por ligações

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químicas fracas, o somatório dessas forças (complementada pelas interações com o citoesqueleto e matriz extracelular) confere à membrana uma determinada resistência à tração, suficiente para assegurar a integridade física da célula e, consequentemente, a sua individualidade.

Figura 1 - Esquema das membranas presentes em células eucariontes Fonte: Glória (2016, on-line)1.

Transporte de substâncias Por ser a estrutura que delimita as células e compartimentos internos (células eucarióticas) as substâncias que entram e saem devem necessariamente atravessar as membranas. As membranas celulares são seletivas e contam com mecanismos de transporte altamente especializados. Entre as funções dos sistemas de transporte na membrana pode-se citar: • Regulam o volume celular. • Mantém o pH e a composição iônica intracelular. • Extraem do ambiente e concentram combustíveis metabólicos e elementos de construção. • Eliminam substâncias tóxicas. • Geram gradientes iônicos.

Reconhecimento e processamento de informações Essa função é exercida por meio da ação de receptores incorporados na membrana, os quais, reconhecem ligantes específicos e, desencadeiam um processo interno de sinalização celular que permite que a célula mude seu comportamento em resposta a “orientações”.

Suporte para atividades bioquímicas Muitas membranas celulares contém moléculas específicas que atuam no metabolismo e conferem funções bioquímicas particulares a cada compartimento que a possui. Por exemplo, a membrana interna das tilacoides nos cloroplastos e a membrana 53

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plasmática de bactérias fotossintéticas contém pigmentos, transportadores de elétrons e enzimas envolvidas no processo da fotossíntese (conversão de energia luminosa em energia química).

Integração entre células e substratos não celulares Nos organismos multicelulares as células estão conectadas entre si ou com a matriz extracelular para formar os tecidos. Essa integração na realidade é resultante da presença de especializações na membrana que em conjunto são denominadas de junções celulares. Vários tipos de junções intercelulares, cada uma composta uma proteína transmembrana diferente, conectam as membranas plasmáticas das células adjacentes. Por exemplo, nas junções de adesão e nos desmossomos, que mantém células epiteliais aderidas, há uma proteína transmembrana denominada caderina que ancora através de seu domínio citosólico proteínas do citoesqueleto, enquanto que o domínio extracelular serve de ancoragem para outra caderina da célula adjacente.

uma menor proporção de carboidratos. Entretanto, a distribuição desses componentes oscila dependendo do tipo de membrana celular.

Lipídios formadores de membranas Os lipídios que estão presentes na estrutura das membranas celulares são, na sua maioria, anfipáticos. Esses apresentam uma região com grupamentos polares e outra região com grupamentos apolares. (Obs.: essa condição já foi discutida na unidade anterior). Essa molécula se arranja em bicamada, deixando suas regiões hidrofílicas (cabeças) para a periferia e suas regiões hidrofóbicas (cauda) para o centro da bicamada (ALBERTS et al., 2011).

ESTRUTURA E COMPOSIÇÃO MOLECULAR DAS MEMBRANAS CELULARES As membranas celulares são estruturas contínuas que determinam os limites estruturais e funcionais das células (membrana plasmática) e dos compartimentos internos de células eucarióticas (membrana nuclear e das organelas citoplasmática). São compostas de lipídios, proteínas e carboidratos e todas estão estruturadas de acordo com o mesmo modelo de arquitetura molecular.

Composição química e organização estrutural de membranas celulares Como já mencionado anteriormente, as membranas celulares são compostas de proteínas, lipídios e, em 54

Figura 2 - Esquema da estrutura bioquímica dos lipídios formadores de membrana e seu arranjo em bicamada Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 100).

Entre os lipídeos mais frequentes nas membranas celulares distinguem-se os fosfoglicerídeos, com uma representação de 70 a 90%. As membranas das

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células animais contêm colesterol, o que não acontece nas células vegetais, que possuem outros esteróis. As membranas das células procarióticas não contêm esterois , salvo raras exceções. A seguir a estrutura dos principais lipídios da membrana será abordada: • Fosfoglicerídeos: esses lipídios são comumente denominados de fosfolipídeos. São constituídos por uma molécula de glicerol esterificada a dois ácidos graxos e a um ácido fosfórico. Diferentes grupos-cabeça (álcoois) se ligam ao ácido fosfórico produzindo diferentes tipos de fosfoglicerídios: • Fosfatidilglicerol: grupo cabeça é o glicerol. • Fosfatidilinositol: grupo cabeça inositol (pode ser classificado como glicolipídeo por conter um resíduo de açúcar). • Fosfatidilcolina: grupo cabeça colina. • Fosfatidilserina: grupo cabeça serina. • Fosfatidiletanolamina: grupo cabeça etanolamina. • Esfingolipídeos: apresenta a molécula de esfingosina em sua estrutura. A esfingomielina é um esfingolipídio que contém como grupo cabeça a molécula de colina. • Esteróides: são lipídios que não apresentam ácidos graxos. O principal lipídio esteroides nas células animais é o colesterol, e em algumas dessas membranas pode representar mais de 50% das moléculas de lipídios. Esse lipídeo é de grande importância, pois faz parte de uma série de vias metabólicas, incluindo a síntese de hormônios esteroides (estrogênio, testosterona e cortisol), da vitamina D e dos sais biliares secretados pelo fígado. Cada membrana celular possui uma composição de lipídios característica que afetam as propriedades físicas e biológicas de cada uma.

PROTEÍNAS PRESENTES NA MEMBRANA Apesar de a estrutura básica da membrana plasmática ser fornecida pela bicamada de lipídios, as proteínas de membrana desempenham a maioria das funções específicas. São as proteínas, portanto, que dão a cada tipo de membrana na célula as propriedades funcionais características. Entre as funções exercidas por essas biomoléculas estão: o transporte de substâncias, atividade enzimática, recepção de sinais e ancoragem. As proteínas presentes nas membranas celulares são classificadas de acordo com a interação que fazem com a bicamada lipídica, sendo elas: • Proteínas periféricas: as proteínas periféricas estão associadas com a superfície da membrana por meio de ligações não covalentes. A fraca associação dessas proteínas com a membrana permite que elas sejam facilmente solubilizadas com o uso de solventes alcalinos. A ligação das proteínas periféricas com a membrana ocorre por meio de interação eletrostática e por pontes de hidrogênio com os domínios hidrofílicos (citosólico e externo) de proteínas integrais, com os grupos cabeça polares de lipídios de membrana ou mesmo com outras proteínas periféricas. • Proteínas integrais: as proteínas integrais encontram-se “mergulhadas” na bicamada lipídica (representadas pelo número 4, na imagem). Entretanto, a maioria das proteínas integrais de membrana se estendem de um lado a outro na bicamada lipídica e são designadas por proteínas transmembranas. Tais proteínas, por conter domínios citosólico e extracelular, podem desempenhar papéis em ambos lados da membrana. Exemplos de proteínas com este tipo de atividade são as carreadoras, os canais iônicos e os receptores. Os domínios citosólicos e exoplásmicos das proteínas transmembranas apresentam em sua maioria 55

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aminoácidos hidrofílicos por estarem em contato com as soluções aquosas do meio intra e extracelular. O domínio interno, em contato com as cadeias hidrocarbonadas dos lipídios, apresenta uma maior quantidade de aminoácidos hidrofóbicos. Podem ser classificadas como proteína de pas-

sagem única por possuir somente uma alfa hélice atravessando a membrana (representadas pelo número 1, na figura), ou como passagem múltiplas ou multipasso, por atravessarem várias vezes a bicamada (representados pelos número 2 e 3 na figura).

Figura 3 - Esquema mostrando as diversas interações de proteínas com a bicamada de lipídios para a formação das membranas celulares Fonte: Alberts et. al. (2011, p. 373).

Açúcares de membrana A membrana plasmática de células eucariotas contém carboidratos que estão ligados covalentemente aos componentes lipídicos (formando os glicolipídeos) e protéicos (formando as glicoproteínas e proteoglicanas). Dependendo da espécie e do tipo celular o conteúdo de carboidratos da membrana plasmática varia entre 2% a 10% de seu peso. Na membrana plasmática, as porções glicídicas estão situadas na face externa da bicamada, enquanto que nas membranas celulares das organelas, os 56

açúcares estão voltados para o lado oposto do citosol. Nas células animais, os carboidratos ocupam um espaço considerável da superfície da membrana com cerca de 10 a 20 nm. Essa camada glicídica é conhecida como glicocalix e apresenta funções de reconhecimento e adesão celular. A porção glicídica da maioria das glicoproteínas e glicolipídeos são oligossacarídeos que possuem tipicamente menos de 15 monossacarídeos por cadeia. A figura a seguir representa a organização estrutural das membranas celulares. Esse modelo é denominado de mosaico fluído.

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Figura 4 - Esquema de mosaico fluído para explicar a estrutura das membranas celulares Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 103).

Figura 5 - Esquema da organização estrutural das membranas celulares com evidência no glicocálix Fonte: Alberts et al. (2011, p. 381).

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Mecanismos de Transporte por meio

das Membranas Celulares Ao estudarmos a composição química e organização estrutural das membranas celulares, entendemos que essas membranas formam películas que separam compartimentos. No entanto, está claro que as membranas não podem isolar os ambientes que revestem, pois, o metabolismo celular depende de intercâmbio constante de moléculas entre os diversos compartimentos. Você já deve ter conhecimento do conceito que as membranas apresentam permeabilidade seletiva. Isso significa que algumas moléculas atravessam a membrana e outras são “barradas”. A seletividade das membranas celulares é um evento promovido 58

pelo processo evolutivo, que levou ao desenvolvimento de vários mecanismos de transportes. O intercâmbio de moléculas é fundamental para a sobrevivência das células. Podemos elencar as funções atribuídas ao diversos mecanismos de transporte por meio das membranas: • Regulam o volume celular. • Mantém o pH e a composição iônica intracelular. • Extraem do ambiente e concentram combustíveis metabólicos e elementos de construção. • Eliminam substâncias tóxicas. • Geram gradientes iônicos.

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Parede celular Membrana

TIPOS DE TRANSPORTE De uma maneira geral, o transporte por meio da membrana pode ser classificado como ativo ou passivo. Quando uma substância é transportada de um lado a outro da membrana a favor do gradiente de concentração, o transporte não requer gasto de energia e é denominado de transporte passivo. Se a substância é transportada de um lado a outro da membrana contra o gradiente de concentração, o transporte requer gasto de energia e é denominado de transporte ativo. Se a substância tem uma carga elétrica, seu movimento é influenciado tanto pelo gradiente de concentração como pelo potencial de voltagem da membrana (diferença na concentração de íons de cargas opostas em ambos os lados da membrana). A combinação destas duas forças é denominada de gradiente eletroquímico.

Núcleo Vácuolo Citoplasma

Célula vegetal normal

Plasmólise

Plasmólise mais avançada

Desplasmólise

NaCl 1,5%

NaCl 0,9%

NaCl 0,6%

NaCl 0,4%

Figura 6 - Esquema demonstrando o movimento da água em função das concentrações do meio extracelular. Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 83).

Transporte passivo O transporte de substância a favor do gradiente de concentração sem gasto de energia pode ser dividido em transporte de água que é denominada de osmose e transporte de solutos que é denominado de difusão.

Osmose Na osmose a água se move por meio da membrana, do meio hipotônico (menos concentrado) para o meio hipertônico (mais concentrado), até que os meios se tornem isotônico (com a mesma concentração). A passagem da água pode ocorrer por meio da bicamada lipídica ou por meio de proteína canais denominadas de aquaporinas.

Bi-Camada Lipídica

Figura 7 - Poros proteicos, denominados de aquaporinas, que promovem a passagem de água por meio das membranas celulares Fonte: Alberts et al. (2011, p. 633).

Difusão O transporte passivo de solutos ocorre do meio hipertônico para o meio hipotônico, até que os meios se tornem isotônico. Esse mecanismo é chamado de difusão. 59

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A difusão pode ocorrer pela bicamada lipídica ou por meio de proteínas transportadoras. Poucas moléculas conseguem fluir por meio da bicamada lipídica, entre elas estão moléculas hidrofóbicas pequenas como benzeno; gases como o CO2, N2 e O2 e moléculas pequenas polares e sem carga como etanol, ureia e, em uma taxa pequena, a própria molécula de água (a osmose pode ser caracterizada como um processo de difusão). Quando uma molécula atravessa a membrana através da bicamada lipídica o processo é denominado de difusão passiva. Entretanto, a passagem de moléculas maiores polares como a glicose; moléculas com cargas como aminoácidos, ATP; e íons como Na2+, Ca2+, Mg2+, Cl-, requerem a presença de proteínas transportadoras para atravessar a membrana, neste caso, o transporte é denominado de difusão facilitada. No processo de difusão facilitada as proteínas que realizam a passagem da substância pode ser uma proteína carreadora (permeases) ou canais.

Proteínas carreadoras (permeases): • Transporte de moléculas grandes, polares e/ ou carregadas. • Mudança de conformação durante o transporte. • Taxa de transferência menor que a taxa operada pelas proteínas canal. Proteínas canais: • Transporte de água e íons. • Transporte rápido. • Seletivo. • Alternância aberto/fechado - “gates” (dependentes de voltagem/dependentes do ligante). Os mecanismos de transportes ativos levam os meios separados por membranas assumirem concentrações equilibradas. Portanto, teremos outros mecanismos envolvidos na manutenção de diferentes concentrações de substâncias nos diferentes meios biológicos.

Molécula transportada

Proteína canal

Proteína carreadora

Bicamada liídica

Difusão simples

Mediado por canal

Mediado transportador Difusão facilitada

Figura 8 - Esquema mostrando a difusão simples e facilitada Fonte: Alberts et al. (2011, p. 391).

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Transporte ativo Os solutos poderão ser transportados contra o gradiente de concentração, ou seja, do meio menos concentrado para o mais concentrado, envolvendo gasto energético. Esse processo é chamado de transporte ativo. O mecanismo ocorre somente com solutos e sempre por meio de proteínas carreadoras. Essas proteínas são conhecidas como bombas. A energia necessária para o transporte pode ser disponibilizado por quebra de molécula de ATP, caracterizando o transporte ativo primário. Alguns carreadores de membrana realizam o transporte ativo secundário, isto é, usam gradientes

de íons seguindo seu gradiente eletroquímico para transportar outra substância contra seu gradiente de concentração. Esse transporte é também denominado de transporte acoplado. Podemos resumir algumas características do transporte ativo: • Depende da presença e da atividade de proteínas de membrana. • São específicos para certas substâncias ou grupos de substâncias. • O fluxo ocorre contra um gradiente químico ou elétrico. • Requer energia e é sensível a distúrbios metabólicos.

Molécula transportada

Proteína canal

Proteína carreadora

Gradiente de concentração

Bicamada liídica

EN

Mediado transportador

TRANSPORTE PASSIVO

IA

Mediado por canal

G ER

Difusão simples

TRANSPORTE ATIVO

Figura 9 - Esquema comparando o transporte ativo e passivo Fonte: Alberts et al. (2011, p. 390).

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O Transporte ativo ocorre somente por meio de proteínas carreadoras, que combinam-se com as moléculas a serem transportadas e alternam sua conformação durante o transporte, deixando de ter afinidade pela molécula transportada. Esse transporte ocorre, em eucariontes por meio de dois princípios básicos: • Transporte ativo primário (a energia é disponibilizada pela quebra de moléculas de ATPs). A quebra da molécula de ATP e o transporte são processos realizados pela mesma proteína.

2

A BOMBA SE AUTOFOSFORILA

Exemplos: H+ATPASE - move H+ para fora da célula. Ca2+ ATPASE - move Ca2+ para fora da célula. Na+/K+ ATPASE - move Na+ para fora e K+ para dentro da célula simultaneamente. A proteína carreadora é também uma enzima que degrada a molécula de ATP, levando 2 K+ para o meio intracelular e 3Na+ para o meio intracelular, conforme demonstra o esquema a seguir:

ADP

ATP

Na+

ESPAÇO EXTRACELULAR

3

A FOSFORILAÇÃO DESENCADEIA UMA MUDANÇA CONFORMACIONAL, EJEÇÃO DE Na+ Na+

P

Fosfato em ligação de alta energia

CITOSOL Na+

1

P

4 LIGAÇÃO DE K+

LIGAÇÃO DE Na+ À BOMBA

K+

P K+

6

A BOMBA RETORNA À COMFORMAÇÃO ORIGINAL, EJEÇÃO DE K+

K+

Figura 10 - Esquema ilustrando o mecanismo da bomba Na+/K+ ATPASE Fonte: Alberts et al. (2011, p. 395).

62

P

5

A BOMBA É DESFOSFORILADA

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Transporte ativo secundário (não depende da quebra de moléculas de ATP, o gradiente de concentração mantido por meio do transporte ativo direto de íons, serve como fonte de energia que dirige o transporte ativo indireto de outras substâncias. Nesse transporte ativo indireto, as moléculas movem-se associadas ao transporte de um íon, que lhe fornece energia, por isso, esse tipo de transporte é do tipo transporte acoplado. Existem dois mecanismos de transporte ativo secundário: Simporte e Antiporte.

Molécula transportada

No Simporte as substâncias transportadas, em geral açúcares e aminoácidos, movem-se na mesma direção do íon que está fornecendo energia e no transporte tipo antiporte, as substâncias transportadas, em geral íons, movem-se em direção contrária ao íon que está fornecendo energia. Vários metabólitos e íons movem-se por meio da membrana por transporte ativo indireto e em eucariontes, praticamente todas as substâncias orgânicas transportadas dentro das células são movidas por transporte ativo secundário (MEYER, [2016], on-line)2.

Ion cotransportado

Bicamada Lipídica

Ion cotransportado

UNIPORTE

SIMPORTE

ANTIPORTE

TRANSPORTE ACOPLADO Figura 11 - Esquema ilustrando os diferentes tipos de transportes ativos Fonte: Alberts et al. (2011, p.398).

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Sistema de

Endomembranas Neste tópico, abordaremos um conjunto de organelas que, nas células eucariontes apresentam-se em íntima associação morfológica e/ou funcional e são chamados de sistema de endomembranas. Esse sistema atua no processamento de macromoléculas ou como podemos dizer na secreção e digestão intracelular. O processo de evolução celular originou membranas internas que levaram ao processo de compartimentalização do citoplasma celular, originando a célula eucarionte. Dentre os compartimentos, o sistema 64

de endomembranas é o mais volumoso. Esses sistemas são formados por várias organelas. Alguns compartimentos apresentam comunicação direta e em outros a comunicação ocorre por meio de vesículas transportadoras. Essas vesículas brotam de um compartimento doador e se fundem com membrana de outro compartimento (compartimento receptor), envolvendo então processo de perda e ganho de membranas entre os compartimentos (JUNQUEIRA et al., 2012). O sistema de endomembranas é formado pelas seguintes organelas:

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a. Retículo endoplasmático - que compreende duas porções: liso e rugoso que apresentam suas membranas em continuidade com o envelope nuclear. b. Complexo de Golgi. c. Endossomos. d. Lisossomos.

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO O Retículo Endoplasmático (RE) é uma rede de túbulos e cisternas que se estendem frequentemente da membrana nuclear por todo o citoplasma. A quantidade e a localização específica do RE variam de acordo com o tipo e o metabolismo celular. Nos hepatócitos, por exemplo, o RE é bastante desenvolvido e se encontra disperso pelo citoplasma. Em células secretoras polarizadas como as células acinares pancreáticas, o RE fica restrita preferencialmente na porção basal do citoplasma. O RE é subdividido em dois tipos ou domínios distintos que desempenham funções diferenciadas: o RE rugoso (RER) que se apresenta com ribossomos aderidos na superfície citosólica de suas membranas e apresenta estas membranas achatadas e o RE liso (REL) que não possui ribossomos associados, tendo suas membranas tubulares. O RER está primariamente relacionado com as funções de produção e processamento de proteínas, enquanto o REL está envolvido na síntese e modificação de lipídios, no metabolismo de compostos lipossolúveis (drogas) e pode também desempenhar funções específicas como o armazenamento de Ca++ nas células musculares. Ambos tipos de RE são contínuos e podem se interconverter conforme o estado fisiológico da célula, por exemplo, na presença de fenobarbital (um anestésico que pode se acumular e se tornar potencialmente tóxico para a célula), área do RER dos

hepatócitos são substituídas por REL para realizar a detoxificação. Conforme já mencionado, o RE é o início da via biossintética secretora da célula. A síntese de proteínas e lipídios no RE representa, portanto, um ponto de ramificação para a distribuição dessas moléculas no interior de células eucarióticas. Entretanto, proteínas destinadas a permanecerem no citosol ou serem incorporadas no núcleo, na mitocôndria, nos cloroplastos ou peroxissomos são sintetizadas nos polirribossomos do citoplasma. A porção rugosa do retículo endoplasmático está envolvida com o processamento de proteínas e a porção lisa do retículo endoplasmático está envolvida com a síntese de lipídios. A síntese de macromoléculas será abordada na sequência, porém, a região lisa do retículo endoplasmático exerce outras funções que serão abordadas agora: • Detoxificação celular: o REL contém enzimas oxidativas que permitem a detoxificação celular. Algumas drogas tendem a se acumular nas células em níveis tóxicos como inseticidas (DTT), herbicidas, aditivos da indústria alimentícia e medicamentos como o analgésico fenobarbital. No processo de detoxificação uma série de reações de oxidação envolvendo enzimas da família do citocromo P450 da membrana do REL promovem a solubilização de uma série de drogas as quais podem ser eliminadas do organismo pela urina. Essas reações acontecem principalmente no fígado.

Figura 12 - Equação da ação de detoxificação celular no retículo endoplasmático liso Fonte: a autora.

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• Reservatório de cálcio: a presença de proteínas ligadoras de cálcio na luz do RE transforma essa organela em um reservatório desse íon. A liberação controlada do Ca++ a partir do RE desencadeia respostas celulares específicas como a secreção e a proliferação celular. Nas células musculares o Ca++ desencadeia a contração muscular. • Glicogenólise: a degradação do glicogênio acumulado em grânulos no citoplasma principalmente dos hepatócitos, é realizada por regiões do REL pela ação da enzima glicose 6 fosfatase. Essa enzima presente na membrana do REL é responsável, portanto, em disponibilizar a glicose. A síntese de lipídeos também ocorre nas mitocôndrias e peroxissomos e, na realidade essas organelas dividem a tarefa com o REL.

Figura 13 - Imagens de microscopia eletrônica de retículo endoplasmático liso (REL) e retículo endoplasmático rugoso (RER) Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 207).

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Figura 14 - Esquema mostrando a continuidade entre Retículo endoplasmàtico rugoso e liso Fonte: Fresta (2016, on-line)3.

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COMPLEXO DE GOLGI O Complexo de Golgi é composto por uma série de compartimentos achatados ou cisternas. O conjunto de cisternas é chamado de dictiossomo e apresenta a unidade morfológica e funcional do Complexo de Golgi. As cisternas estão dispostas de maneira organizada e são divididas em três regiões: cis - de conformação convexa (recebe vesículas do RE), trans - de conformação côncava (posicionadas em direção ao sítio de secreção) e a região medial (entre as regiões cis e trans). Entre as cisternas há um espaço de 20-30 nm preenchidos por uma matriz protéica envolvida na manutenção da organização das cisternas dessa organela. O CG funciona como uma fábrica que processa, seleciona e transporta substâncias que recebe. Dessa forma, as proteínas e lipídeos sintetizados no RE são modificados por meio de reações químicas no CG e então separadas para que sejam encaminhadas para seus destinos finais.

Figura 15 - Esquema mostrando as cisternas do dictiossomo do Complexo de Golgi Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 219).

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Síntese e Exportação

de Macromoléculas A síntese e secreção de macromoléculas, como proteínas, glicoproteínas e lipídios, ocorrem por ação conjunta de retículo endoplasmático (liso - lipídios e rugoso - proteínas) e Complexo de Golgi. Apesar de serem duas organelas distintas e formarem compartimentos isolados, estas organelas são, do ponto de vista funcional, extensões uma da outra.

SÍNTESE DE PROTEÍNAS Os ribossomos aderidos à membrana do RER estão ativamente engajados na síntese de proteínas que se68

rão liberadas no lúmen dessa organela ou incorporadas a sua membrana. Essas proteínas iniciam sua síntese no citoplasma para posteriormente se prenderem junto aos ribossomos na membrana da organela. O direcionamento desse complexo traducional se deve a presença de uma sequência específica denominada de peptídeo sinal que corresponde a um segmento (que inclui 8 ou mais aminoácidos hidrofóbicos) na extremidade amino terminal, ou seja, na extremidade nascente da proteína no ribossomo, denominado de peptídeo sinal.

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Para que o complexo traducional chegue até a membrana do RER, no mínimo dois componentes são necessários: uma partícula reconhecedora do sinal (PRS, uma ribonucleoproteína) e o receptor da PRS (uma proteína transmembrana do RER). Toda proteína começa a ser sintetizada por ribossomos associado ao RNAm que se encontram livres no citoplasma. Quando a proteína que está sendo sintetizada possui o peptídeo sinal, este é reconhecido pela PRS e ocorre uma parada na síntese proteica até o momento em que a PRS se ligue ao seu receptor na membrana do RER. Após essa etapa, a PRS é liberada e a síntese proteica recomeça com a cadeia polipeptídica sendo dirigida para o lúmen da organela por meio de um complexo proteico denominado Sec61p, que atua como um canal de translocação, e que possui sítios de ancoragem para o ribossomo. Ainda, na face luminal, este canal de translocação está associado a uma subunidade enzimática: a

peptidase sinal que cliva a sequência sinal da cadeia polipeptídica durante sua transferência para O RER. Em mamíferos, a maioria das proteínas destinadas ao RE são translocadas ao RE durante a tradução (processo co-traducional). As proteínas sintetizadas nos ribossomos aderidos ao RER podem ser solúveis e serem encaminhadas para o lúmen da organela, ou podem conter segmentos denominados de sequência de parada de transferência que inserem essas proteínas na membrana. Proteínas que cruzam a membrana várias vezes (multipasso) podem estar sendo inseridas como resultado de uma série alternada de sequência de parada de transferência. Essas sequências sinalizam o fechamento do canal SEc61p promovendo a transferência lateral da cadeia polipeptídica para a bicamada lipídica. Em algumas proteínas, o peptídeo sinal não é clivado e serve como uma sequência de parada (ALBERTS et al. 2011).

Figura 16 - Esquema mostrando o ancoramento da síntese proteica a membrana do retículo endoplasmático, como reconhecimento do peptídeo sinal Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 210).

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Enovelamento no RER: no lúmen do RER existem proteínas da família chaperonas denominadas Bip (binding proteins) que auxiliam o dobramento correto das cadeias polipeptídicas. Quando apesar da ação das chaperonas, as proteínas não alcançam sua conformação nativa, elas podem ser degradadas por proteases no lúmen do RE ou então enviadas ao citoplasma onde sofrem ubiquitinação (um polipeptídeo) e são reconhecidas por um complexo proteolítico, o proteossoma, que então as degrada. Esse controle de qualidade às vezes pode conduzir a distúrbios, por exemplo, como o que ocorre na forma mais comum de fibrose cística. Essa doença genética é produto de mutações que resulta em uma leve alteração conformacional de uma proteína de membrana transportadora de Cl - (CFTR). Embora essa proteína pudesse funcionar perfeitamente na membrana, ela é retida no RE e então descartada. Outra ação que promove o dobramento correto das proteínas no RER é a formação de pontes dissulfeto (s-s) pela dissulfeto isomerase. Proteínas que contém pontes s-s em sua conformação, como a insulina, têm sua síntese associada ao RE, pois o

ambiente redutor do citoplasma não favorece a formação dessas ligações. Processamento de proteínas: antes que muitas proteínas possam deixar o RER, elas devem passar por algumas modificações em sua cadeia polipeptídica. Muitas proteínas sofrem glicosilações para se tornarem glicoproteínas. Esse processo ocorre ainda durante sua translocação ao RER. Durante esse processo, um oligossacarídeo composto de 14 resíduos é transferido de um suporte lipídico (o dolicol) para resíduos de aminoácidos específicos por ação de uma enzima oligossacaril transferase. Modificações desse oligossacarídeo precursor ocorrem ainda no interior do RER e se estendem ao CG e incluem remoção e adição de monossacarídeos. A combinação entre diferentes monômeros e o tipo de ligação estabelecida entre eles, pode gerar uma elevada variabilidade em sua composição e estrutura, que fazem dos oligossacarídeos moléculas especialmente capazes de atuar em processos específicos de reconhecimento celular que envolve eventos de adesão e sinalização celular.

Figura 17: Esquema mostrando a glicosilação inicial no lúmen do retículo endoplasmático Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 212).

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EDUCAÇÃO FÍSICA

SÍNTESE DE LIPÍDEOS Embora algumas organelas como mitocôndrias e cloroplastos contenham enzimas que participam na biossíntese de lipídeos, o REL é o principal sítio de síntese de lipídeos de membranas. A síntese de lipídeos no REL ocorre por ação de enzimas presentes na face citosólica da membrana do REL. Várias classes de lipídeos são sintetizadas no RE como os glicerofosfolipídeos, o colesterol e as ceramidas. Nas células endócrinas das gônadas e do córtex da adrenal, o colesterol é utilizado para a síntese de hormônios esteróides. Uma parte das reações envolvidas neste processo ocorre nas mitocôndrias. No fígado, o REL utiliza o colesterol na formação de ácidos biliares. Modificações dos lipídeos: os lipídios produzidos no REL podem sofrer processamentos como elongação da cadeia de ácidos graxos e a formação de duplas ligações por meio de desidrogenações. Essas reações acontecem principalmente no REL de células adiposas e hepáticas.

TRANSPORTE VESICULAR DO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO (RE) PARA O COMPLEXO DE GOLGI (CG) Os lipídeos e proteínas sintetizados no RE são enviados para o CG via vesículas transportadoras. Os lipídeos são transportados como parte da bicamada que forma as membranas das vesículas de transporte ou, no lúmen da vesícula, associados com proteínas de transporte de lipídios ou lipoproteínas. Da mesma maneira, as proteínas sintetizadas no RE podem ser transportadas incluídas na bicamada lipídica (aquelas que durante a translocação ficam retidas na membrana do RER por segmentos de parada de transferência) ou no lúmen da vesícula (quando são proteínas solúveis). (JUNQUEIRA et al., 2012).

As cisternas do RE são tipicamente interconectadas, o que facilita o movimento das moléculas sintetizadas entre as cisternas dessa organela. As vesículas que brotam do RE para o CG partem de uma região desprovida de ribossomos referida como elementos de transição. Experimentos utilizando marcadores fluorescentes demonstram que durante o percurso, essas vesículas se fundem para formar grandes vesículas e túbulos interconectados na região entre o RE e o CG. Esses agregados se movem em direção ao CG e então se fundem com cisternas.

Aspectos funcionais do CG Glicosilações de proteínas e lipídios: o CG desempenha papel essencial na síntese de glicoproteínas e glicolipídios já que modifica, por uma série de reações químicas, as cadeias de carboidratos das proteínas e lipídios provenientes do RE, além de adicionar oligossacarídeos O-ligados em aminoácidos específicos. A síntese dos oligossacarídeos O-ligados ocorre por adição sequencial de monossacarídeos nas diferentes cisternas do CG. Várias combinações de monossacarídeos são possíveis, gerando uma diversidade de cadeias. As enzimas responsáveis pelos diferentes passos da glicosilação são enzimas de membrana com o sítio ativo voltado para o lúmen do CG que se encontra em compartimentos específicos desta organela. Assim, por exemplo, na cisterna cis estão presentes as manosidases enquanto que na cisterna trans encontram-se galactosiltransferases. Ainda no CG a adição de carboidratos à ceramida gera uma variedade de glicolipídios (glicoesfingolipídios). Sulfatação de proteínas e lipídios: na luz da rede trans do CG, domínios extracelulares de proteínas e lipídios destinados à membrana plasmá71

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tica sofrem sulfatação. A adição de sulfato pode ocorrer em cadeias glicídicas de proteínas e lipídios, como também em resíduos de aminoácidos tirosina. Dentre as proteínas de secreção sulfatadas estão os proteoglicanos componentes da matriz extracelular animal. A sulfatação desses proteoglicanos confere em parte a aquisição de suas cargas negativas que garantem a capacidade de reter água, desempenhando importante papel na fisiologia da matriz extracelular. Fosforilação: as reações de fosforilações ocorrem nas cisternas cis do Golgi. Um importante processo de fosforilação ocorrido no CG relaciona-se a formação de manose 6P de enzimas lisossomais. Na primeira etapa da reação, um fosfato ligado à N-acetilglicosamina é transferido para um resíduo de manose, em seguida

ocorre a remoção do grupo de N-acetilglicosamina. Uma enzima que contém o resíduo manose 6P é reconhecida por receptores específicos e encaminhada para endossomos tardios por meio de vesículas de transporte para formar os lisossomos. Síntese de polissacarídeos: no CG são sintetizados diferentes tipos de polissacarídeos. Nas células animais os glicosaminoglicanos são polissacarídeos lineares componentes da matriz extracelular. Nas células vegetais a hemicelulose e as pectinas são polissacarídeos ramificados que compõem a parede celular juntamente com a celulose. Entretanto, a celulose não é sintetizada no CG como ocorre para a hemicelulose e pectinas. A síntese da celulose ocorre na superfície celular por enzimas da membrana plasmática.

TRANSPORTE VESICULAR PARTINDO DO CG As substâncias que chegam ao CG a partir do RE são movimentadas entre as cisternas do Golgi por meio de vesículas de transporte também revestidas por proteínas COP. Outro tipo de transporte que movimenta substâncias por meio do Golgi é o de maturação das cisternas. Embora esse mecanismo tenha sido refutado na opinião de alguns pesquisadores, evidências recentes indicam que algumas proteínas 72

não são atravessadas pelas cisternas do CG por meio de vesículas. Um exemplo é o caso do pró-colágeno I (PC) que forma grande agregados no interior do CG que não saem do interior das cisternas. As vesículas que partem da face trans do CG em direção a membrana plasmática podem seguir dois caminhos distintos: a via de secreção constitutiva, onde as substâncias são secretadas de maneira con-

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tínua e não regulada. Um exemplo desse tipo de secreção é a da albumina realizada por hepatócitos. O segundo caminho é o da via de secreção regulada, onde os produtos celulares deixam o CG e permanecem retidos em vesículas de secreção até que um sinal específico estimule sua liberação. Como exemplo de secreção regulada está a secreção de hormônios, neurotransmissores e enzimas digestivas. A secreção regulada representa um importante mecanismo utilizado pela célula para controlar rapidamente a expressão de várias proteínas, o que permite que não somente a célula, mas o organismo como um todo se adapte frente a diferentes condições fisiológicas. Um exemplo é dado pela secreção de insulina

pelas células beta do pâncreas. As moléculas de insulina que deixam o CG a fazem na forma inativa (pró-insulina) e são acumuladas em vesículas imaturas que se tornam maduras após clivagens peptídicas que ocorrem na pró-insulina convertendo-a em insulina ativa. As vesículas que partem do CG em direção aos lisossomos são revestidas por outro grupo de proteínas denominadas de clatrina. Essas vesículas contêm as enzimas lisossomais que foram produzidas no RE e, posteriormente, transferidas para o CG. Como vimos anteriormente, as enzimas lisossomais são sinalizadas pela presença de manose 6P, reconhecidas por receptores na rede trans do Golgi e empacotadas em vesículas de transporte.

Figura 18 - Esquema demostrando os destinos de vesículas que saem da face trans do dictiossomo do Complexo de Golgi Fonte: Alberts et al. (2011, p. 519).

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Vias Intracelulares de Degradação

Endocitose e Lisossomos Como vimos no tópico anterior, a ação conjunta do retículo endoplasmático e Complexo de Golgi será responsável pela via de biossíntese de macromoléculas. Algumas dessas macromoléculas serão secretadas, outra serão incorporadas a membrana plasmática e outra farão parte dos lisossomos. Dessa forma, vamos associar a ação de lisossomos com a via de entrada de macromoléculas no interior da célula (endocitose), bem como seu processamento (via de digestão intracelular). 74

ENDOCITOSE E DIGESTÃO INTRACELULAR As células eucarióticas estão continuamente captando substâncias pelo processo de endocitose. O material extracelular é internalizado em vesículas que se formam por um processo de invaginação de uma pequena área da membrana plasmática. A vesícula formada no processo passa a ser uma organela da célula e é denominada de endossomo imaturo.

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Endossomos: organelas membranosas que recebem moléculas introduzidas na célula pelo processo de endocitose mas também pela fusão de vesículas contendo enzimas pré-lisossomais que partem do CG. Possuem pH ácido (~6) devido a ação de uma bomba de prótons em sua membrana. A partir dos endossomos é que se formam os lisossomos. Existem dois tipos de endocitose: • Pinocitose: entrada de líquidos junto com macromoléculas e os solutos dissolvidos nele. A pinocitose pode ser inespecífica ou regulada. Na inespecífica as moléculas em contato com a superfície da membrana plasmática

ingressam automaticamente. Na pinocitose regulada existem receptores específicos que desencadeiam a formação das vesículas de endocitose. • Fagocitose: ingestão de partículas grandes como micro-organismos. Ocorre em tipos celulares específicos como, os macrófagos e neutrófilos que são células de defesa do nosso organismo. Para ser fagocitado a partícula necessita de reconhecimento por meio de receptores presentes na membrana plasmática. A vesícula formada é maior que a formada na pinocitose.

Figura 19 - Esquema mostrando endocitose e seus tipos Fonte: adaptado de Alburquerque (2013, on-line)4.

DESTINO DAS PARTÍCULA ENDOCITADAS A endocitose (fagocitose ou pinocitose) levou a formação de endossomos imaturos (fagossomos ou pinossomos). A ação de bombas de prótons na membrana dessas organelas resulta em uma diminuição do pH no interior do compartimento que conduz à conversão do endossomo imaturo em endossomo tardio (pH~6).

O endossomo tardio, por sua vez, recebe vesículas de transporte que partem da rede trans do Golgi contendo enzimas hidrolíticas (cerca de 40 tipos) transformando-se em lisossomos maduros que digerem as moléculas captadas por endocitose ou elementos da própria célula como organelas ou macromoléculas. Dessa forma, os lisossomos são as organelas responsáveis pela digestão intracelular. 75

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Lisossomos: organelas membranosas com uma variedade de enzimas hidrolíticas capazes de hidrolisar todos os tipos de polímeros biológicos. São originados a partir da fusão de vesículas contendo hidrolases que brotam do CG com os endossomos secundários e/ou com fagossomos (autofagossomos ou heterofagossomos). Possui pH ~5 – digestão intracelular . As enzimas lisossomais são sintetizadas no RE e direcionadas ao CG Vesículas endocíticas se fundem aos endossomos para formar os lisossomos. Os restos não digeridos nos lisossomos serão excretadas para o meio extracelular. O processo é idêntico a fusão das vesículas que contêm material a ser secretado, ou seja, por exocitose.

Figura 20 - Esquema mostrando a fusão de vesículas de endocitose com lisossomos que farão a digestão Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 226).

Aspectos fisiológico da ação dos lisossomos Autofagia Os lisossomos podem digerir elementos (organelas ou macromoléculas) da própria célula, esse processo é denominado de autofagia e, geralmente, ocorre para garantir a eliminação de organelas envelhecidas, danificadas ou em quantidades excessivas. Nesse processo, as organelas a serem eliminadas são envolvidas por membranas oriundas do RE formando uma vesícula denominada autofagossomo. Segue-se, então, a fusão de vesículas pré-lisossomais, formando então um lisossomo ativo na decomposição. A autofagia é extremamente importante nos fenômenos de regressão e involução de tecidos, como ocorre durante a embriogênese 76

e a metamorfose, (por exemplo: na eliminação da membrana interdigitais em embriões de mamíferos e na regressão da cauda do girino). Em alguns tipos celulares, as enzimas lisossomais são secretadas para realizar a digestão extracelular. Um exemplo desse fato são os osteoclastos onde as enzimas são liberadas em um ambiente extracelular delimitado por essas células e a matriz óssea. O pH ácido é mantido por proteínas de membrana que bombeiam íons H+ para o meio extracelular. Esse processo é fundamental para a reabsorção óssea. Outro exemplo é o acrossomo, uma organela relacionada aos lisossomos nos espermato-

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zoides. Quando o espermatozóide entra em contato com o ovócito, ocorre a liberação das enzimas acrossomais que digerem a camada de material extracelular que envolve o óvulo. Isso permite a fusão das membranas das duas células e a passagem do núcleo do espermatozóide para o citoplasma do óvulo. Nos melanócitos há a presença de lisossomos denominados de melanossomos. Essa organela armazena melanina que é produzida pela conversão da tirosina por ação da enzima tirosinase presente no seu interior. Os melanossomas contendo melanina sofrem exocitose e os pigmentos no meio extracelular, são então capturados por queratinócitos que promovem a pigmentação normal da pele. Em algumas desordens genéticas, esse processo de transferência é bloqueado, levando a defeitos na exocitose melanossômica, determinando formas de hipopigmentação conhecido como albinismo.

Figura 21 - Esquema mostrando a ação dos lisossomos para a endocitose e a autofagia Fonte: Alberts et al. (2011, p. 527).

Como vimos, a secreção de enzimas lisossomais em alguns tipos celulares parece contar com mecanismos especializados e regulados de exocitose. Ainda, em alguns fungos, enzimas lisossomais também são secretadas permitindo a digestão extracelular de materiais de interesse nutricional.

SAIBA MAIS

A endocitose mediada por receptores aumenta a eficiência da internalização do ligante. Um exemplo é a captação do colesterol. Grande parte do colesterol é transportado no sangue na forma de lipoproteína de baixa densidade (LDL). Quando a célula necessita de colesterol para a síntese de suas membranas, ela produz e envia para a membrana plasmática receptores para o LDL que se associam por meio de seu domínio extracelular com as partículas de LDL. Após, a associação de subunidades de clatrina favorece a formação da vesícula endocítica que se funde com endossomos primários. Nos lisossomos, os ésteres de colesterol são liberados das partículas LDL e hidrolisados em colesterol livre, o qual estará agora disponível para o uso da célula. Essa rota é interrompida em indivíduos que possuem mutações no gene que codifica para os receptores de LDL. Como consequência o organismo pode acumular altos níveis de colesterol no sangue o que predispõe a esses indivíduos a desenvolver arterosclerose. Fonte: a autora.

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SAIBA MAIS

Silicose Partículas de sílica inaladas são fagocitadas pelos macrófagos. A sílica provoca a ruptura das membranas dos lisossomas e a lise dos macrógafos. Resulta um aumento na síntese de colágeno, o que origina uma fibrose que afeta a função respiratória. Fonte: a autora.

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considerações finais

Prezado(a) aluno(a)! Nesta unidade, conhecemos um pouco da estrutura de organelas da célula eucarionte. Começamos com as membranas celulares e analisamos que sem a membrana plasmática não existem células, pois é ela quem delimita o espaço intracelular e promove o intercâmbio de moléculas, responsáveis pelo metabolismo celular. Além dessas atividades básicas, ela também é responsável por promover o reconhecimento de partículas que promoverão a sinalização do metabolismo e a adesão celular, processos fundamentais para os organismos pluricelulares. Porém não é a única membrana da célula eucarionte, pois nela há grande extensão de membranas internas delimitando organelas. Algumas dessas organelas formam o sistema de endomembranas. O sistema de endomembranas está envolvido em vias metabólicas que levam à síntese e secreção de macromolécula que saem das células por exocitose. O sistema de endomembranas é constituído pelo núcleo, retículo endoplasmático, Complexo de Golgi, vesículas de secreção, endossomos e lisossomos,que junto atuam na síntese e secreção de macromoléculas como proteínas e lipídios e promovem a digestão de partículas grandes que entram na célula. Além dos mecanismos de transporte para macromoléculas, citados no parágrafo acima, ao longo do processo evolutivo, vários mecanismos foram desenvolvidos para o transporte de moléculas pequenas necessárias para a sobrevivência da célula. Alguns desses mecanismos ocorrem a favor do gradiente de concentração e não gastam energia, enquanto outros ocorrem contra o gradiente de concentração e gastam energia. Esses mecanismos podem promover o transporte por meio de bicamada lipídica ou usando proteínas de membranas que atuam como carreadora ou canais. O conhecimento da estrutura das membranas celulares, das organelas presentes na célula eucarionte e dos mecanismos de transportes de substâncias grandes e pequenas contribuirão para nossa compreensão do funcionamento da célula. Até a próxima!

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atividades de estudo 1. As células realizam transportes de várias substâncias necessárias para sua atividade metabólica. Algumas moléculas são transportadas com gasto de energia do metabolismo celular, enquanto outras são transportadas sem gasto de energia do metabolismo celular, sendo estes mecanismos de transportes denominados de transportes ativos e passivos. Com relação a esses mecanismos de transportes, observe as afirmações a seguir: I. Transportes ativos ocorrem para transportar solutos e solventes contra o gradiente de concentração. II. Osmose e difusão são mecanismos passivos que transportam, respectivamente, água e solutos a favor do gradiente de concentração. III. Na difusão o soluto é transportado do meio hipertônico para o meio hipotônico, podendo usar a bicamada ou atravessar por proteínas presentes nas membranas. IV. Nos transportes ativos, os solutos atravessam do meio hipotônico para o hipertônico por meio de proteínas carreadoras ou proteína canais. V. A difusão é o transporte passivo de solutos e a osmose é transporte passivo de água e em ambos as moléculas se movimentam do meio hipertônico em direção ao meio hipotônico. Assinale: a. Se apenas as alternativas I e II estiverem corretas. b. Se apenas as alternativas II e III estiverem corretas. c. Se apenas as alternativas III e IV estiverem corretas. d. Se apenas as alternativas I e V estiverem corretas. e. Se todos as alternativas estiverem corretas. 2. Uma célula secretora do pâncreas (célula A) contém, em seu ápice, diversos grânulos de secreção, repletos de proteínas, que atuarão na digestão de alimentos. Essas proteínas serão secretadas. Outra célula (célula B) é uma célula muscular estriada esquelética e sintetiza proteínas que atuarão no citoplasma da célula. Observe as afirmações a seguir, sobre as diferenças de síntese de proteínas na célula A e B. I. Na célula A e B, as proteínas são completamente sintetizadas por ribossomos aderidos ao retículo endoplasmático. II. Na célula A, a síntese de proteínas ocorre com os ribossomos aderidos ao retículo endoplasmático e na célula B com os ribossomos aderidos ao complexo de golgi. III. Na célula B, a síntese proteica começa com os ribossomos livres e, posteriormente, a maquinaria síntese proteica é encaminhada a superfície citosólica da membrana do retículo endoplasmático.

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atividades de estudo IV. Na célula A e B, a síntese proteica inicia-se no citoplasma. Somente na célula A, a maquinaria de síntese proteica é encaminhada a membrana do retículo endoplasmático e a síntese da proteína prossegue associada a esta membrana. V. Proteínas destinadas ao citoplasma celular não têm sua síntese associada ao retículo endoplasmático. Exclusivamente proteínas que são destinadas a secreção e que possuem seu processamento associado a membrana do retículo endoplasmático. Assinale: a. Se apenas a alternativa II estiver correta. b. Se apenas a alternativa I estiver correta. c. Se apenas as alternativas III e IV estiverem corretas. d. Se apenas a alternativa IV estiver correta. e. Se apenas as alternativas IV e V estiverem correta. 3. Medindo-se a concentração dos íons cloro e magnésio no meio intra e extracelular da célula de uma planta aquática foram observadas as seguintes concentrações. Impedido a célula de sintetizar ATP, as concentrações desses íons são igualadas nos meios intra e extracelulares. Com essas informações podemos concluir que a diferença observada nas concentrações destes íons é mantida por: Cloro

Magnésio

Intracelular

Extracelular

Intracelular

Extracelular

100

20

150

50

a. Transporte ativo secundário. b. Difusão simples. c. Transporte ativo primário. d. Difusão facilitada. e. Osmose. 4. Em um experimento uma célula vegetal foi submetida a soluções hipertônica (procedimento A) e hipotônica (procedimento B), quando comparadas com o citoplasma destas células. Observe as assertivas: I. No procedimento A, o meio extracelular estava hipotônico em relação ao citoplasma e a água era mantida no citoplasma. II. No procedimento B, o meio extracelular estava hipotônico em relação ao meio intracelular e devido a esta diferença de concentração a água se movimentava para o meio extracelular, ocasionando a diminuição do citoplasma celular.

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atividades de estudo III. No procedimento B, o meio intracelular estava hipertônico em relação ao meio extracelular e esta diferença de concentração ocasionou a entrada de água no citoplasma da célula, resultando na expansão do citoplasma. IV. Nos procedimentos A e B existem diferenças de concentrações entre os meios intra e extracelular. Essas diferenças ocasionou a movimentação da água, por osmose. A água sempre atravessa as membranas celulares, do meio hipotônico em direção ao meio hipertônico. Assinale: a. Se apenas a alternativa I estiver correta. b. Se apenas as alternativas III e IV estiverem corretas. c. Se apenas a alternativa III estiver correta. d. Se apenas as alternativas II e III estiverem corretas. e. Se apenas a alternativa IV estiver correta. 5. Todas as membranas biológicas apresentam permeabilidade seletiva e existem vários mecanismos promovendo este transporte. Várias moléculas orgânicas e inorgânicas são transportadas contra o gradiente de concentração, sendo caracterizadas como transporte ativo. Como exemplo, podemos citar: I. O transporte de glicose nas células epiteliais do intestino. As moléculas de glicose utilizam a energia da entrada de 2 sódios (que vão para o citoplasma das células a favor do gradiente) e entram nas células epiteliais contra o gradiente de concentração. II. Sódio e potássio são transportados simultaneamente contra o gradiente. Três sódios são enviados ao meio extracelular e dois potássios são colocados no meio intracelular usando o mesmo elemento transportador e a energia originada da quebra de uma molécula de ATP. III. O cálcio é transportado contra o gradiente de concentrações por elementos que os transportam sozinho e com quebra de molécula de ATP. Assinale a alternativa correta: a. Em I e em III estão ocorrendo o transporte ativo primário. b. Em I e em II estão ocorrendo o transporte ativo secundário, acoplado denominado de simporte. c. Em II ocorre transporte ativo primário-acoplado-antiporte e em III ocorre transporte ativo primário, uniporte. d. Em III ocorre transporte ativo secundário-uniporte e em I transporte ativo primário-antiporte. e. Em I e III estão ocorrendo transporte ativo secundário acoplado-simporte. 82

LEITURA COMPLEMENTAR

Doenças relacionadas aos lisossomos As doenças de estocagem lisossômicas são causadas por defeitos genéticos de uma ou mais hidrolases lisossomais. Um exemplo é a doença de inclusão celular em que o gene defectivo está relacionado com a síntese da N-acetilglicosamina fosfotransferase. Essa enzima está envolvida no processamento pós-traducional das enzimas hidrolíticas no CG. Sem essa etapa do processamento, os resíduos de manose das enzimas pré-lisossomais não são fosforilados, e com isso, não são reconhecidos pelos receptores de M6P responsáveis pelo empacotamento e formação da vesícula pré-lisossomal na face trans do Golgi. Como consequência, ocorre um acúmulo de vários produtos destinados a digestão intracelular nos lisossomos, formando grandes corpos de inclusão. Outro fato resultante desta doença é que as enzimas hidrolíticas se acumulam no plasma sanguíneo como resultado da secreção constitutiva do Golgi. A doença de inclusão celular manifesta-se sobretudo a nível dos fibroblastos, sendo no entanto considerada uma doença generalizada e grave com mortalidade ao fim de um ano (no máximo). Interessante destacar é que em alguns tipos celulares, tais como os hepatócitos, o complemento de enzimas lisossômicas é normal, o que significa que há outra rota para direcionar as hidrolases para os lisossomos. Essa via pode provavelmente ser a mesma descrita anteriormente para a fosfatase ácida, onde a enzima é recapturada pela via de endocitose. Outras doenças lisossômicas atingem hidrolases específicas dos lisossomos, resultando no acúmulo de seus produtos de catálise. Um exemplo é a doença de Gaucher, onde o indivíduo apresenta a enzima glicocerebrosidase ausente ou defeituosa. Essa enzima catalisa a degradação de glicocerebrosídeos. Como consequência de sua ausência ou mau funcionamento ocorre um acúmulo deste lipídio dentro do lisossomo dos macrófagos. Estes macrófagos ficam grandes, cheios de glicocerebrosídeo não digerido e, que passam a ser chamados de “células de Gaucher”. As células de Gaucher se acumulam principalmente no fígado e no baço ocasionando dor e distensão abdominal por aumento do baço e do fígado (hepatoesplenomegalia). Em alguns casos, as doenças lisossomais resultam do rompimento da membrana da organela, causada pelo acúmulo de material que não foi digerido por ela. Um exemplo é a silicose frequente em trabalhadores de minas que estão expostos a uma grande quantidade de partículas sólidas que, uma vez nos pulmões, são fagocitadas pelos macrófagos, acumulam-se nos lisossomos e acabam por romper sua membrana.

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LEITURA COMPLEMENTAR

Isso leva a destruição das células e ao comprometimento tecidual. Na planta comigo ninguém pode, a presença de um alcaloide, cujo mecanismo de ação está na inibição da enzima α-monosidase lisossomal, resulta no acúmulo de oligossacarídeos não metabolizados no interior de lisossomos ocasionando a destruição celular e comprometimento tecidual. Fonte: a autora.

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Este artigo discute os benefícios da prática do exercício físico regular para pacientes com fibrose cística. O objetivo deste artigo foi revisar os efeitos da prática regular de exercícios aeróbicos e de força e resistência muscular para adolescentes com fibrose cística. Acesse o link a seguir e verifique. Disponível em: .

referências

ALBERTS, B.; BRAY, D.; HOPKIN, K.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P. Fundamentos da biologia celular. Porto Alegre: Artmed, 2011. ALBERTS, B.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P.; VANZ, A. L. de S.; JOHNSON, A. Biologia molecular da célula. ed. Porto Alegre: Artmed, 2011. JUNQUEIRA, L. C. U.; CARNEIRO, J.; JORDÃO, B. Q.; ANDRADE, C. G. T. J.; YAN, C. Y. I. Biologia celular e molecular. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica básica. São Paulo: Guanabara Koogan, 2015.

Referências On-line 1 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 2 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 3 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 4 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 86

gabarito

1. B. 2. D. 3. C. 4. B. 5. C. 87

MOVIMENTO E PROLIFERAÇÃO CELULAR

Professora Dr.ª Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: • Núcleo interfásico • Ciclo celular - Interfase e divisão celular mitótica • Divisão celular - Meiose • Citoesqueleto • Célula estriada esquelética - Contração Muscular

Objetivos de Aprendizagem • • • • • •

Descrever a estrutura do núcleo interfásico. Compreender o mecanismo de divisão celular mitótica. Compreender o mecanismo de divisão celular meiótica. Reconhecer os elementos que formam o citoesqueleto. Identificar o papel do citoesqueleto para o metabolismo celular. Reconhecer a organização dos elementos do citoesqueleto na célula muscular estriada esquelética.

unidade

III

INTRODUÇÃO

Caro(a) aluno(a)! Nesta unidade, veremos uma das propriedades das células, responsáveis pela manutenção da vida: a capacidade de uma célula originar células descendentes. Esses mecanismos são conhecidos como divisão celular. Existem dois mecanismos distintos de divisão celular: mitose e meiose. Esses dois mecanismos atendem a propósitos diferentes. A divisão meiótica origina células idênticas geneticamente e com o mesmo número cromossômico, sendo responsável pela crescimento, renovação e regeneração dos tecidos em nosso organismo. Esse processo é cíclico e inclui períodos em que a célula não está em divisão, chamado de interfase e a divisão celular mitótica, conhecido como ciclo celular. A meiose é uma categoria específica de divisão celular que origina células haploides e com combinações genéticas distintas daquelas que lhes deram origem. Esses tipos de divisão celular, na espécie humana, ocorre apenas para formação de gametas (células que serão usadas na reprodução). Ainda nesta unidade, estudaremos as estruturas responsáveis pela manutenção da forma e movimentos celulares, entre eles os movimentos responsáveis pela mecânica da divisão celular e também pela contração da células musculares, chamado de citoesqueleto. O citoesqueleto compreende um conjunto de filamentos proteicos que formam uma trama distribuída por todo o citoplasma de células eucariontes. Os elementos que formam o citoesqueleto são: microtúbulos, filamentos de actina e filamentos intermediários. Ao abordarmos o citoesqueleto, daremos um enfoque a organização desses elementos nas células musculares estriadas esqueléticas, cuja formação origina o sarcômero, estrutura responsável pela contração dessas células. Tenha um ótimo estudo e sucesso em mais esta etapa no processo de conhecimento da estrutura responsável pela vida: a célula.

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Núcleo

Interfásico Começaremos nossa unidade conhecendo a estrutura da organela que armazena as informações genéticas contidas no DNA - o Núcleo. Esse núcleo sofre variações morfológicas quando a célula realiza a divisão mitótica ou meiótica e quando a célula não está em processo de divisão, dizemos que o núcleo é interfásico. Células surgem de outras células vivas pelo processo de divisão celular. O crescimento de um organismo se dá por sucessivas divisões mitóticas, 92

assim, uma única célula, o zigoto (ovócito fecundado) origina uma pessoa adulta com seus 10 trilhões de células. A divisão mitótica é responsável não só pelo crescimento do indivíduo, mas também pela reprodução assexuada, reposição celular e reparo de tecidos danificados ou injuriados. Uma célula se reproduz por meio de uma sequência ordenada de eventos que duplicam seus componentes e depois a dividem em duas. Esse ciclo de duplicação e divisão é conhecido como ciclo celular.

EDUCAÇÃO FÍSICA

O ciclo celular eucariótico é tradicionalmente dividido em duas fases sequenciais: a interfase e a fase M (de mitose). A interfase é subdividida em G¹, S, G², e a fase M compreende cinco estágios (prófase, metáfase, anáfase, telófase e citocinese). No final do ciclo celular, as duas células originadas apresentarão o mesmo número de cromossomos e a mesma quantidade de DNA da célula parental. Entretanto para que o número de células nos tecidos do corpo alcance um valor exato ou para que a formação de novos indivíduos que surgem por reprodução assexuada não exceda no ambiente, existe um sistema de controle do ciclo celular. O centro desse sistema é uma série coordenada de sinais bioquímicos que controlam os principais eventos do ciclo, incluindo a replicação de DNA e a segregação do cromossomo replicado. Quando o sistema apresenta um mau funcionamento, as divisões celulares excessivas podem, por exemplo, resultar em câncer.

Figura 1 - Esquema demonstrando o ciclo celular Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 177).

Para compreender a mecânica do processo de divisão celular e seu mecanismo de controle é interessante primeiramente conhecer a estrutura do núcleo celular. Por motivos didáticos os assuntos relacionados ao tema serão na sequência abordados em subtópicos:

ESTRUTURA DO NÚCLEO INTERFÁSICO O núcleo interfásico encontra-se no intervalo de tempo que separa duas divisões sucessivas de uma célula. Durante esta fase de interfase tem-se uma alta atividade biossintética onde a célula produz RNAs, proteínas e outras moléculas envolvidas na manutenção dos processos celulares. Durante esse período, se a célula receber um estímulo para se dividir, o DNA será duplicado. A análise da ultraestrutura de um núcleo em interfase revela que esta organela é constituída por uma dupla membrana, a qual externamente é contínua com o retículo endoplasmático rugoso e internamente encontra-se sustentada por uma malha proteica de filamentos intermediários (lâmina nuclear) que confere resistência mecânica à membrana nuclear. A membrana nuclear é interrompida por poros revestidos que estabelecem comunicações do citoplasma com o interior do núcleo. Os poros estão associados com um complexo proteico que promovem o transporte nuclear. Geralmente, os íons e as moléculas pequenas são transferidos de modo passivo pelo complexo do poro. No entanto, o transporte de moléculas grandes como polipeptídeos, RNAs e ribonucleoproteínas envolve um gasto energético e requer a presença de sinais de localização nuclear (NLS) ou de exportação nuclear (NES). Esses sinais incluem sequências de aminoácidos (para polipeptídeos) onde nucleotídeos (para o RNA) que são reconhecidos por proteínas que atuam como receptores de transporte, movimentando macromoléculas por meio do poro nuclear. Nessa família, as importinas movimentam macromoléculas do citoplasma para o núcleo e as exportinas movimentam macromoléculas em sentido oposto. 93

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

No interior do núcleo interfásico, o material genético está organizado na forma de cromatina, que corresponde a uma associação organizada do DNA com proteínas histonas (H2A, H2B, H3, H4 e H1) e não histonas (inclui proteínas estruturais, enzimáticas e reguladoras que se associam ao DNA). Entretanto, a organização da cromatina é dinâmica, pois se altera de acordo com a fase do ciclo celular e com seu grau de atividade gênica.

Figura 2 - Estrutura do núcleo interfásico Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 145).

Figura 3 - Esquema da estrutura dos poros nucleares Fonte: Junqueira et al. (2012, p.149).

Figura 4 - Poros nucleares - imagem de microscopia eletrônica Fonte: Histologia virtual (2009, on-line)1.

94

Figura 5 - Esquema dos níveis de compactação da molécula de DNA durante o ciclo celular Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 163).

EDUCAÇÃO FÍSICA

Figura 6 - Organização de um nucleossomo Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 154).

No interior do núcleo em interfase há uma região com grande concentração de subunidades ribossomais ao redor de um trecho de DNA com intensa síntese de ácido ribonucleico ribossômico (RNAr). Essa região é definida como nucléolo e representa o local de transcrição e processamento do RNAr e da maturação, organização e transporte das partículas pré-ribossomais. O número e o tamanho de nucléolos dependem de seu estado funcional podendo variar entre as espécies e, também em uma mesma espécie, entre células do mesmo indivíduo. Adicionalmente, modificações em número e na forma dos nucléolos são observadas em células tumorais. Todas essas estruturas que compõem o núcleo interfásico são ciclos celular dependentes, ou seja, elas se alteram durante a divisão de uma célula. Dessa forma, a cromatina torna-se progressivamente mais condensada, o envoltório nuclear, o nucléolo e os corpos nucleares desaparecem no início da mitose e se reestruturam no final da fase M.

Figura 7 - Organização do DNA em cromatina Fonte: Junqueira et al. (2012, p.155).

95

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Ciclo Celular - Interfase e

Divisão Celular Mitótica O ciclo de divisão celular consiste basicamente em quatro eventos coordenados: crescimento celular, duplicação do DNA, distribuição dos cromossomos duplicados e divisão citoplasmática. Em uma típica célula humana proliferando em cultura, o ciclo de divisão celular tem duração aproximada de 24 horas. Entretanto, a duração do ciclo celular varia consideravelmente em diferentes tipos celulares. Células embrionárias iniciais, por exemplo, dividem-se a cada 30 minutos, pois nesses ciclos o crescimento 96

celular, que estende o tempo de divisão de uma célula, não acontece. A maioria das células tem alguma possibilidade de se dividir, porém, certos tipos celulares raramente se dividem, enquanto outras células apresentam uma baixa taxa de proliferação celular e só se dividem ocasionalmente. Essas células permanecem em um estágio inativo denominado Go, no qual permanecem metabolicamente ativas, mas só proliferam quando recebem sinais extracelulares apropriados.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Já as células altamente diferenciadas como as hemácias, células musculares e nervosas abandonam o ciclo celular e não proliferam mais, permanecendo permanentemente no estágio Go. Essas células, no entanto, podem ser repostas por células-tronco, que estão presentes nos respectivos tecidos e que são capazes de se multiplicar, diferenciando-se naqueles tipos celulares. A mitose exerce papel primordial em processos fundamentais para a manutenção da vida. Um deles é a constante produção das hemácias originadas a partir de células precursoras indiferenciadas existentes na medula óssea. Essas células são fundamentais para a manutenção dos níveis de oxigenação tecidual e transporte do gás carbônico, resultante do metabolismo e têm vida relativamente curta (em torno de 120 dias), devido principalmente à ausência de núcleo e organelas, característica exclusiva dos mamíferos.

As divisões mitóticas têm um papel fundamental e também asseguram a homeostase do organismo na reposição das células da camada epidérmica da pele, que garante impermeabilidade e consequente proteção contra os agentes nocivos do meio externo. Devido à constante descamação da pele, células da camada mais interna (estrato basal) estão continuamente se dividindo para garantir a renovação da epiderme. Estima-se que, em média, a cada 25 dias a epiderme humana se renove por completo. O mesmo mecanismo opera para a renovação das células epiteliais do trato gastrointestinal, no qual o constante trânsito de substâncias acaba por destruir porções do tecido, que precisam ser respostas. Dessa forma, a mitose é responsável por garantir a manutenção de uma ampla gama de atividades orgânicas básicas, promovendo uma condição homeostática para o organismo.

INTÉRFASE A fase M do ciclo celular é a mais dramática e os vários estágios que a compõem podem ser distinguidos ao nível do microscópio óptico. Entretanto, quando a célula se encontra em interfase, os estágios G1, S e G2 só podem ser identificados por critérios bioquímicos como autoradiografia. Os principais eventos que ocorrem nos estágios do ciclo celular serão abordados a seguir. Fase G1: uma célula em G1 que em algum momento recebe um estímulo para se dividir terá um aumento súbito em sua atividade biossintética. Assim, durante esta fase ocorre a síntese de todos os componentes necessários aos eventos da divisão celular, ocorrendo intensa transcrição

e tradução, multiplicação de organelas e aumento da membrana plasmática. A fase G1 geralmente é a mais longa do ciclo celular. Em uma célula com ciclo de duração de 24 horas a fase G1 levaria ~11 horas para ser completada. Fase S: a fase S tem duração aproximada de 8 horas e é caracterizada pela duplicação do DNA. Esse evento requer a participação de diversas enzimas (DNApol, DNA primase, DNA ligase, DNA helicase, proteínas SSB, topoisomerases entre outras) e ocorre de forma semiconservativa onde cada cadeia de DNA usada como molde permanece unida com a nova cadeia recém-sintetizada. 97

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Paralelamente à duplicação, mecanismos de reparo do DNA evitam que alterações no material genético sejam repassadas para as novas cadeias de DNA. O resultado final é que na fase G2 a célula conterá o dobro de moléculas de DNA comparada a fase G1. Na fase S já se observa os centríolos duplicados fazendo parte de seus próprios centrossomos que são responsáveis pela formação das fibras do fuso e desempenham uma função importante durante a mitose. Uma vez que contribuem para a organização dos cromossomos na metáfase e sua segregação na anáfase e para determinação do plano de clivagem da célula. Fase G2: nessa fase, terminada a síntese de DNA, reinicia a produção de RNA, formando mais proteínas com um novo período de crescimento celular. Entre as proteínas sintetizadas estão aquelas que serão úteis para a célula prosseguir no ciclo celular. Outro fato importante na fase G2 são os mecanismos de checagem que verifica, por exemplo, se todo DNA duplicou corretamente e se houve aumento adequado do volume celular. No período G2 também ocorre a maturação dos centrossomos pelo recrutamento de proteínas adicionadas da matriz pericentriolar, principalmente as y-tubulinas, essenciais para a nucleação dos microtúbulos. A fase G2 tem duração de ~ 4 horas.

98

Figura 8 - Esquema da duplicação semiconservativa do DNA. Fonte: Junqueira et al. (2012, p.182).

EDUCAÇÃO FÍSICA

DIVISÃO CELULAR - MITOSE A divisão mitótica é um evento programado e ocorre dentro do ciclo celular. Os eventos que ocorrem durante esse processo são sequenciais, contínuos e foram didaticamente divididos em fases, denominadas prófase, pró-metáfase, metáfase, anáfase, telófase e citocinese. A fase M é a mais curta do ciclo celular e tem duração de ~ 1 hora.

Prófase A prófase se caracteriza pelo início da condensação da cromatina. Isso se deve em grande parte à atuação de um complexo proteico denominado condensina. Cada um dos filamentos está constituído por duas cromátides (ditas “irmãs”), cada uma com seu próprio centrômero e telômero. Os complexos multiproteicos denominados coesina, garantem a coesão entre as cromátides-irmãs até o fim da metáfase. Ainda na prófase, ocorre gradativamente o desaparecimento do nucléolo, cujos componentes em parte se dispersam pelo citoplasma na forma de corpúsculos de ribonucleoproteínas, e em parte permanecem associados à periferia dos cromossomos. Os dois centrossomos, cada um com seu par de centríolos, começam a se mover para polos opostos da célula e entre eles, pode-se observar a formação de fibras (= microtúbulos) polares. A dissociação das proteínas lâminas A e B, acarreta a desmontagem do envoltório nuclear durante a prófase. No início da prófase os microtúbulos tornam-se mais dinâmicos. A prófase avança e o final da prófase é chamada de pró-metáfase. Na pró-metáfase a cromatina encontra-se mais condensada, mostrando filamentos mais grossos e mais curtos e o nucléolo não é mais visualizado. O envoltório nuclear e as organelas membranosas, como Complexo de Golgi e retículo endoplasmáti-

co, fragmentam-se em pequenas vesículas. As vesículas do envoltório nuclear contém as lâminas B, que permanecem associadas à sua membrana interna enquanto as lâminas A ficam livres no citosol. Os centrossomos continuam migrando para os polos opostos. Forma-se o cinetócoro, estrutura proteica ligada à região do centrômero de cada cromátide-irmã, na qual os microtúbulos do fuso, denominados cinetocóricos se associam e exercem tensão sobre essas cromátides. Ainda na pró-metáfase, na maioria dos organismos, por ação de uma enzima denominada separa-se ocorre a remoção das coesinas presentes entre os braços das cromátides-irmãs, mas não das coesinas da região centromérica. Já nos fungos, as coesinas permanecem associadas ao longo de todo o comprimento do cromossomo até o final da metáfase.

Figura 9 - Esquema da prófase e prometáfase Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 187).

99

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Metáfase A metáfase é a fase em que a cromatina atinge o máximo de condensação. A ação dos microtúbulos sobre os cromossomos colocam estes a assumir uma posição de equilíbrio em um plano na região equatorial da célula entre os dois polos. Três tipos de fibras são observados a partir desta fase: as cinetocóricas, que se ligam aos cinetócoros (estrutura proteica que se associa na região centromérica dos cromossomos); as astrais que se estendem em direção à periferia celular e as polares que se sobrepõem na placa equatorial.

opostos é resultante da combinação de dois processos, denominados anáfase A e B, que estão relacionados com a mecânica do fuso mitótico. Para que ocorra a movimentação cromossômica correta durante a divisão celular, é necessário que haja uma ligação física entre os microtúbulos do fuso e os cromossomos, por meio do cinetocoro. Dessa forma, mutações que interferem nesta associação podem promover alterações cromossômicas numéricas. A Síndrome de Down por mosaicismo representa uma alteração genética que causa uma não disjunção do cromossomo 21 na anáfase durante as primeiras divisões do embrião. Muitos tipos de câncer também apresentam cromossomos extras devido a uma segregação anormal dos cromossomos.

Figura 10 - Esquema da metáfase Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 187).

Anáfase A anáfase é marcada pela separação das cromátides-irmãs que se movem para os polos. Para dar início a esse processo uma enzima conhecida como separase, inicia a proteólise do complexo da coesina na região do centrômero. O movimento das cromátides-irmãs (cada uma agora denominada cromossomo-filho) para polos 100

Figura 11 - Esquema da anáfase Fonte: Junqueira et al. (2012, p.187).

Telófase A telófase se caracteriza pela reestruturação do envoltório nuclear a partir da reassociação dos componentes dispersos pelo citosol na pró-metáfase. As vesículas das membranas do envoltório nuclear

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se fundem em torno dos cromossomos e ao mesmo tempo a lâmina nuclear se reorganiza, os complexos de poros se inserem nas membranas, fazendo com que, ao final da telófase, o envoltório nuclear está totalmente reconstituído. Os cromossomos irão se descompactar gradativamente até o final desta fase, assumindo o estado mais distendido da cromatina e característico da interfase e o nucléolo é reconstituído. Os microtúbulos cinetocóricos já são ausentes e os polares permanecem apenas na região equatorial, na qual se dará a citocinese. As organelas membranosas são reconstituídas e distribuídas aleatoriamente entre as suas células-filhas.

Citocinese A citocinese é a divisão citoplasmática da célula em duas. Em células de animais e de fungos, a citocinese é marcada na anáfase por um anel contrátil de

actina e miosina II, associado à membrana plasmática na região equatorial. Embora o mecanismo da citocinese não esteja esclarecido, acredita-se que o deslizamento dos filamentos de actina por ação da miosina puxa o córtex e a membrana plasmática em direção ao centro da célula, promovendo uma constrição dessa região e dividindo a célula em duas no final da telófase. O plano de divisão da célula é determinado pelo fuso residual de microtúbulos polares e ocorre sempre perpendicular a esse fuso. Por outro lado, o posicionamento do fuso mitótico se deve em grande parte aos microtúbulos astrais e a centralização dos microtúbulos astrais no fuso mitótico direciona uma divisão simétrica nas células. Em alguns tecidos animais a divisão nuclear pode ocorrer sem que haja citocinese, o que origina células multinucleadas, como pode ser encontrado em alguns hepatócitos.

Figura 12 - Esquema da telófase e citocinese Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 192).

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Divisão Celular

Meiose

A meiose é um tipo especial de divisão celular que produz exclusivamente células haploides (n). O processo meiótico envolve duas divisões nucleares e citoplasmáticas sucessivas meiose I, e meiose II, não havendo síntese de DNA entre estes dois estágios. Portanto, uma célula 2n replica seu DNA na interfase, e após as duas divisões, dá origem a quatro células n, ou seja, quatro novas células haploides (n) contendo um único conjunto de cromossomos. Adicionalmente, a meiose gera grande variabilidade genética devido a dois importantes fenôme102

nos: a permuta (crossing-over) e a segregação independente dos cromossomos na meiose I, fazendo com que cada célula haploide produzida seja geneticamente diferente das demais e da célula parental original. Assim, por meio da meiose, um novo conjunto de genes é criado em cada indivíduo, gerando enorme diversidade. Embora em grande parte dos organismos a meiose ocorre única e, exclusivamente, para a formação de gametas em vários outros ela não está associada à gametogênese.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Na espécie humana, a meiose ocorre em estruturas reprodutivas especializadas, as gônadas. Nesses órgãos, as células diploides da linhagem germinativa dividem-se e se diferenciam, formando espermatozoides e óvulos, que são haploides.

A MECÂNICA DA DIVISÃO MEIÓTICA A meiose é um processo contínuo, dividido em uma série de etapas apenas com propósito didático: prófase I (leptóteno, zigóteno, paquíteno, diplóteno e diacinese) metáfase I, anáfase I, telófase I, prófase II, metáfase II, anáfase II e telófase II. Antes de entrar em meiose, as células diploides destinadas a este tipo de divisão celular, encontram-se em interfase a qual é semelhante daquela que antecede a mitose. Quando uma célula germinativa, durante a fase G1, recebe um estímulo para entrar em meiose ela responde por meio de sua atividade biossintética produzindo as moléculas necessárias para prosseguir na divisão. Dessa forma, fatores essenciais para a duplicação do DNA irão operar durante a fase S. Geralmente essa fase é mais longa quando comparada a uma interfase que prepara a célula a entrar em mitose. Na fase G2 atividades específicas de controle determinam a entrada da célula na meiose.

FASES DA MEIOSE Assim como a mitose, a meiose também é, para fins didático, dividida em fases. Alguns eventos são semelhantes aos que ocorrem na mitose. A meiose está dividida em meiose I e meiose II.

Meiose I A primeira divisão da meiose será um processo reducional, pois, nessa divisão ocorrerá a separação dos cromossomos homólogos e as duas células formadas serão haploide. O eventos serão organizados em fases:

prófase I, metáfase I, anáfase I, telófase I e citocinese I.

Prófase I Alguns eventos da prófase I são semelhantes aos da prófase da mitose. Porém ocorrem processos exclusivos, que serão os responsáveis por promoverem a variabilidade genética. A prófase I é subdividida em subfases que serão descritas a seguir. Leptóteno (= filamento fino): apesar de marcar o início do processo de condensação cromossômica, a fase de leptóteno apresenta os cromossomos como filamentos muito longos e finos. Os filamentos cromossômicos apresentam, nessa fase, regiões mais condensadas que coram mais fortemente que o restante do cromossomo denominadas de cromômeros. O nucléolo se faz presente. Zigóteno (= filamento emparelhado): nessa fase, os cromossomos homólogos alinham-se longitudinalmente e se tornam associados (sinapse). Embora o pareamento físico dos cromossomos começa a ser visto nessa fase, novos estudos têm demonstrado que regiões correspondentes do DNA entre os homólogos já estão em contato durante o leptóteno. Adicionalmente, análises de células de leveduras próximas a entrar em prófase meiótica demonstraram que cada par de homólogos compartilham territórios específicos, sugerindo que eles já se encontram em um processo de pareamento. Sob Microscopia Eletrônica (M.E.), a sinapse cromossômica é acompanhada pela formação de uma estrutura proteica entre os homólogos, denominada Complexo Sinaptonêmico (CS). O CS é visto como uma estrutura trilaminar formada de 2 elementos laterais associados com a cromatina e um elemento central conectado aos elementos laterais por muitos filamentos transversais. 103

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Paquíteno (= filamento grosso): essa fase inicia logo após o término do processo de sinapse ter sido completado. Os cromossomos tornam-se mais condensados e os homólogos mantêm-se unidos pelo CS. Sob ME, são observados ao longo do elemento central, vários corpos elétron-densos denominados nódulos de recombinação, os quais estão associados com os eventos de crossing – over, ou seja, o processo de troca de partes cromossômicas entre cromátides homólogas, que consiste de quebra, em pontos específicos, das duplas cadeias de DNA de duas cromátides homólogas por ação de uma endonuclease meiótica, e reunião (fusão) cruzada entre estas duas cromátides. Embora evidências demonstrem que o CS esteja relacionado com o pareamento e a permuta, essa conclusão não pode ser generalizada, pois estudos em leveduras têm evidenciado que a recombinação pode ter início antes do CS ter sido formado, no qual as quebras na dupla fita do DNA ocorrem ainda durante o leptóteno. Adicionalmente, mutantes de leveduras incapazes de formar um CS, podem ainda desenvolver eventos de CO. Assim, o CS nesses organismos funcionam primariamente como um esqueleto de sustentação que permite a interação entre as 104

cromátides para completar as atividades de recombinação. Diplóteno (= filamento duplo): caracteriza-se pelo desaparecimento complexo sinaptonêmico e da atração sináptica entre os homólogos, iniciando-se a separação dos mesmos. Essa separação entre os homólogos, que formavam o bivalente, não é total, pois em alguns locais, duas das quatro cromátides permanecem unidas formando um X. Essa configuração recebe o nome de quiasma e é a evidência citológica de que ocorreu a permuta. O quiasma “amarra” os cromossomos homólogos juntos em um bivalente e garantem a orientação dos homólogos na prometáfase e a segregação regular na anáfase I. Diacinese (= movimento ao redor): caracteriza-se por marcante acentuação do processo de condensação cromossômica e pelo prosseguimento da terminalização dos quiasmas. No final dessa fase, desaparece o nucléolo, rompe-se o envelope nuclear, o fuso meiótico se organiza e as fibras se ligam aos cinetócoros dos cromossomos homólogos iniciando a movimentação dos bivalentes para a placa metafásica.

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Figura 13 - Resumo dos eventos que ocorrem na prófase I da divisão meiótica Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 197).

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BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Metáfase I Durante a meiose os cromossomos homólogos atingem seu grau máximo de condensação. A ação dos microtúbulos associado a presença de proteínas motoras (cinesinas e dineínas) sobre os cromossomos colocam estes a assumir uma posição de equilíbrio em um plano na região equatorial da célula entre os dois polos. Três tipos de fibras são observados a partir dessa fase: as cinetocóricas que se ligam aos cinetócoros (estrutura proteica que se associa na região centromérica dos cromossomos); as astrais que se estendem em direção à periferia celular e as polares que se sobrepõem na placa equatorial. Em muitas espécies, os quiasmas podem permanecer visíveis nesta fase.

correta dos cromossomos, uma proteína denominada coesina também contribui neste processo. As coesinas são degradadas por uma enzima denominada separase, entretanto por ação de um complexo proteico presente na região do centrômero, as coesinas são protegidas da ação da separase e se mantém na região do centrômero permitindo que os homólogos e não as cromátides se separem na anáfase I.

Figura 15 - Esquema demonstrando a anáfase I Fonte: adaptado de Blog Bio DNA (2015, on-line)2.

Figura 14 - Esquema mostrando o alinhamento dos homólogos na região equatorial da célula Fonte: adaptado de Blog Bio DNA (2015, on-line)2.

Anáfase I Durante a anáfase ocorre a separação dos cromossomos homólogos, que se movem para os polos. O movimento dos cromossomos homólogos para polos opostos é resultante da combinação da ação das proteínas motoras com o encurtamento dos microtúbulos devido a despolimerização das tubulinas. Além da importância dos quiasmas para uma segregação 106

Telófase I Essa fase se caracteriza pela chegada dos cromossomos aos polos da célula. A descondensação cromossômica ocorre, dependendo da espécie, em graus variados. Também, dependente da espécie, a citocinese pode ou não ocorrer (dicotiledôneas geralmente ocorre no final da meiose) e o envelope nuclear pode ou não ser refeito. Nessa fase, o número de cromossomos em cada polo celular está reduzido à metade e, portanto, apresenta um conjunto cromossômico (n), mas cada cromossomo ainda está constituído por duas cromátides irmãs, ou seja, o conteúdo de DNA está duplicado (2C). As cromátides permanecem unidas por ação de proteínas denominadas coesinas presentes na região do centrômero.

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Citocinese I Terminada a organização dos núcleos ocorre a citosinese que é a separação do citoplasma.

II da segunda divisão meiótica. Em animais, células nesse estágio são referidas como espermatócitos ou oócitos secundários, como veremos posteriormente.

Meiose II Após a primeira divisão denominada de meiose I, as novas células formadas que são haploide executarão outra divisão, denominada de meiose II. Assim como a meiose I e a mitose, esta também é dividida em fase, que didaticamente, facilitam a compreensão.

Prófase II É uma fase curta, sem as complicações da Prófase I. Os cromossomos, ainda duplicados em cromátides irmãs, mas em número reduzido pela metade, começam a condensar novamente e, no final dessa fase, inicia a organização de dois novos fusos. Se o envoltório nuclear foi formado na telófase I, ele é desorganizado novamente. A prófase II é uma fase que, semelhante à intercinese, pode ser suprimida em alguns organismos e a célula passa diretamente de Telófase I para Metáfase II.

Figura 16 - Resumos dos eventos da meiose I Fonte: InfoEscola (2016, on-line)3.

Intercinese Em alguns organismos, entre a Meiose I e a Meiose II, ocorre uma fase em que os cromossomos descondensam totalmente, alongam-se e se tornam difusos. Tomam uma aparência semelhante à interfase, mas diferentemente dessa fase, na intercinese não ocorre fase S, ou seja, não ocorre duplicação cromossômica. Em outros organismos, esse período entre a primeira e a segunda divisão meiótica é suprimido e os dois núcleos na telófase I passam diretamente para a prófase

Metáfase II É semelhante à metáfase mitótica com a diferença de que o número de cromossomos é a metade do número somático. As fibras do fuso ligadas aos cinetocoros centroméricos dispõem os cromossomos na placa equatorial. Nos oócitos de vertebrados esta fase é interrompida até o momento da fertilização. Um aspecto da meiose que é crucial para o sucesso da divisão é a coordenação da coesão, e de sua perda, entre as cromátides-irmãs. Como já mencionado, as cromátides irmãs dos cromossomos permanecem unidas por um complexo com a coesina. Essa coesão deve ser mantida nas regiões centromérica e pericentromérica até a transição metáfase II/ anáfase II. 107

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Anáfase II Semelhante à anáfase mitótica, ocorre o processo de separação das cromátides irmãs. As cromátides irmãs, agora cromossomos filhos, iniciam a migração para os polos, puxadas pelas fibras do fuso. Telófase II Nessa fase os cromossomos são envolvidos pelo envoltório nuclear se descondensam e ocorre a citocinese formando 4 células haploides com conteúdo 1C de DNA nuclear. Essas quatro células filhas podem ficar juntas (tétrades dos vegetais superiores) ou separadas (espermátides de mamíferos).

PROFASE II

IMPORTÂNCIA GENÉTICA DA MEIOSE A segregação dos cromossomos homólogos na anáfase I acontece ao acaso, isto é, os cromossomos maternos e paternos de cada par segregam-se independentemente para cada polo. Um exemplo de segregação em um organismo poderá produzir quatro tipos diferentes de gametas. Portanto, o número de combinações possíveis pode ser expresso por 2n, no qual n é o número de pares de cromossomos da espécie. Para a espécie humana, por exemplo que possuem 23 pares de cromossomos, a possibilidade é de mais de 8 milhões de tipos de gameta diferentes. Além disso, como vimos, na prófase I ocorre a recombinação gênica entre as cromátides homólogas na maioria das células, gerando gametas geneticamente diferentes entre si e em relação as células parentais. A

a

B

b

a A B

Figura 17 - Esquema resumindo os eventos da meiose II Fonte: InfoEscola (2016, on-line)3.

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A

B b

a b

A

A

a

a

B

b

B

b

A

A

a

a

B

b

B

b

Figura 18 - Esquema da meiose explicando o crossing-over Fonte: Lima ([2016], on-line)4.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Esses dois fenômenos combinados, segregação ao acaso e crossing-over, geram novas combinações de genes e o consequente aumento na variabilidade genética traz muitas vantagens ao organismo de reprodução sexuada, uma vez que aumentam suas chances de adaptação as mudanças ambientais. Outra importância da meiose é que ela gera células haploides, logo, a união dessas células como ocorre entre os gametas, restabelece o número cromossômico da espécie.

CONSEQUÊNCIA DA NÃO DISJUNÇÃO DOS CROMOSSOMOS NA ANÁFASE Ocasionalmente, no processo de meiose, pode ocorrer uma falha na separação dos cromossomos homólogos na anáfase I ou das cromátides-irmã na anáfase II. Esse fenômeno é conhecido como não disjunção. Quando isso acontece, uma das células fica com um cromossomo a menos enquanto a outra célula fica com um a mais. Por exemplo, na espécie humana, um gameta ficaria com 22 cromossomos e outro com 24. Se, na fecundação, um desses gametas se fundir com um gameta normal (23 cromossomos), poderá originar um zigoto que terá 45 ou 47 cromossomos, que, na maioria das vezes, é inviável e não se desenvolve. Os que sobrevivem, em geral, apresentam problemas físicos e/ou mentais. Um dos exemplos mais comuns de não disjunção na espécie humana é a síndrome de Down, em que o indivíduo apresenta um cromossomo 21 a mais (trissomia), ou seja, três cópias desse cromossomo em vez de duas. Esses indivíduos, em geral, apresentam retardo mental, aparência fenotípica característica, problemas cardíacos, suscetibilidade aumentada a doenças infecciosas, risco maior de desenvolver leucemia e início precoce de Alzheimer.

A trissomia do cromossomo 21 geralmente resulta de não disjunção na anáfase I como já verificado por análises genéticas (mapeamento genético do cromossomo 21) que demonstram uma diminuição acentuada desses cromossomos maternos terem realizado recombinação genética. Na maioria das vezes (~94% dos casos), o cromossomos extra vem da mãe. O risco de gerar filhos com síndrome de Down aumenta gradualmente com a idade das mulheres. Acredita-se que a chance de não disjunção aumente com a idade materna, porque as células que formam os óvulos humanos começam a meiose ainda na vida intrauterina e param na prófase I – diplóteno - antes do nascimento, podendo permanecer nesse fase muito tempo, de 12 a 50 anos. Assim, os ovócitos que são fertilizados em uma mulher em período reprodutivo tardio permanecem parados em prófase I por décadas apresentando chances maiores de acumulares efeitos genéticos como as mutações.

Figura 19 - Esquema da não disjunção cromossômica Fonte:Tanya Biologia (2012, on-line)5.

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BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

SAIBA MAIS

A Síndrome de Down foi descrita pelo médico inglês John Langdon Down, em 1866. Em 1959, descobriu-se que a causa da síndrome era genética. É um distúrbio genético que ocorre ao acaso durante a divisão celular do embrião. Esse distúrbio ocorre, em média, em 1 a cada 800 nascimentos e tem maiores chances de ocorrer em mães que engravidam quando mais velhas. É uma síndrome que atinge todas as etnias. Para saber mais sobre o assunto acesse: . Fonte: Moraes ([2016], on-line)7.

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EDUCAÇÃO FÍSICA

REFLITA

Síndrome de Down - Qual a melhor opção: escola regular ou especial? A legislação brasileira que rege o sistema de educação busca a inclusão de todos os estudantes, independentemente de síndromes e deficiências. Mas ainda existem escolas que atendem exclusivamente alunos com limitações físicas/cognitivas.

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Citoesqueleto O termo citoesqueleto designa um conjunto de fibras proteicas que se estendem no citoplasma das células eucarióticas. Em sintonia, essas fibras proteicas são responsáveis pela forma e integridade estrutural das células e por uma ampla variedade de processos dinâmicos como modificações na forma da célula; transporte de organelas e motilidade de estruturas celulares, por exemplo, cílios, flagelos e os cromossomos durante a divisão celular. Analisando as funções desempenhadas pelo citoesqueleto, poderíamos projetar a visão que dele depende o próprio sustento da vida: nas espécies sexuadas o encontro do espermatozoide com o ovó112

cito depende de movimentos flagelares gerados por proteínas do citoesqueleto. Sem o citoesqueleto não escaparíamos das infecções combatidas pelos macrófagos por meio do processo da fagocitose. Também seria impossível bombear o sangue em nosso corpo sem a atividade contrátil das células musculares cardíacas. O citoesqueleto é representado por 3 tipos de filamentos principais: os microtúbulos, os filamentos de actina e os filamentos intermediários, que embora sejam comuns a maioria das células eucarióticas, podem variar na quantidade e distribuição conforme o tipo celular.

EDUCAÇÃO FÍSICA

denominada centrossomo localizada próximo ao núcleo. Os filamentos intermediários de queratina se estendem pelo citoplasma de uma junção célula-célula a outra e os filamentos intermediários de laminina sustentam a membrana nuclear interna.

Figura 20 - Imagem de uma célula evidenciando o citoesqueleto Fonte: Cunha (2013, on-line)8.

Nas células vivas, todos os três tipos de filamentos do citoesqueleto sofrem remodelação pela associação e dissociação de suas subunidades. Isso ocorre facilmente, pois, as subunidades que formam estes polímeros são mantidas por ligações químicas fracas, o que significa que sua associação e dissociação podem ocorrer rapidamente, sem a necessidade de quebras de ligações covalentes. Entretanto, a regulação do comportamento dinâmico dos filamentos do citoesqueleto gera uma variedade enorme de estruturas, como cílios e flagelos a partir dos microtúbulos; microvilosidades a partir dos filamentos de actina e a trama de filamentos intermediários abaixo da membrana nuclear interna (lâmina nuclear). A figura a seguir mostra a distribuição dos 3 filamentos do citoesqueleto nas células epiteliais que revestem o intestino. Os filamentos de actina sustentam as microvilosidades e se concentram preferencialmente no córtex celular. Os microtúbulos se irradiam por todo citoplasma a partir de uma região

Figura 21 - Esquema demonstrando a distribuição dos elementos do citoesqueleto e a estruturas dos filamentos Fonte: Alberts et al. (2011, p.970).

Por questões didáticas os três principais componentes do citoesqueleto serão abordados em tópicos separadamente, onde serão considerados os princípios básicos subjacentes aos seus aspectos estruturais e a importância de associações com proteínas acessórias no desempenho das funções específicas de cada um. 113

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MICROTÚBULOS Os microtúbulos são estruturas cilíndricas ocas com 24nm (nanômetro) de diâmetro que se estendem pelo citoplasma das células. Como os filamentos de actina, os microtúbulos apresentam comportamento dinâmico se polimerizando e despolimerizando continuamente. Os microtúbulos são formados por uma proteína globular denominada tubulina, a qual é um dímero com 2 cadeias polipeptídicas: α e β tubulinas. Cada um dos monômeros α e β possui um sítio de ligação para o GTP. O GTP que se liga a subunidade α é parte integrante do monômero e nunca será hidrolisado. Contrariamente, o GTP ligado à subunidade β pode ser intercambiável para GDP. A hidrólise do GTP tem um papel importante na dinâmica do microtúbulo. Os dímeros de tubulinas se polimerizam em uma mesma orientação conferindo, dessa forma, polaridades distintas ao microtúbulos. A α tubulina está orientada para a extremidade (-), enquanto que a β tubulina está voltada para a extremidade (+). Isto é importante, pois permite que o transporte de diferentes estruturas ao longo dos microtúbulos possa ser direcionado.

Figura 22 - Esquema da estrutura de microtúbulos Fonte: Junqueira et al. (2012, p.121).

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As proteínas motoras que se associam aos microtúbulos usam energia derivada de ciclos repetidos de hidrólise do ATP para se deslocarem ao longo dos filamentos. As cinesinas e dineínas são proteínas que possuem duas cabeças globulares de ligação ao ATP e, que interagem com os microtúbulos. A cauda se liga estavelmente a algum componente celular com auxílio de proteínas de ancoragem como a dinactina. Os microtúbulos estão envolvidos principalmente na determinação da forma celular, na organização do citoplasma, no transporte intracelular de vesículas e organelas, em uma variedade de movimentos celulares e na separação dos cromossomos durante a divisão celular. A participação de proteínas acessórias, entretanto, é essencial para que os microtúbulos desempenhem suas propriedades funcionais e estruturais. Algumas dessas propriedades serão a seguir destacadas em tópicos: a. Suporte e forma celular Os microtúbulos estáveis contribuem para manter a forma da célula. Um exemplo dos microtúbulos na manutenção da forma da célula é obtida nos axônios dos neurônios que contêm microtúbulos orientados paralelamente. b. Motilidade e organização intracelular No interior das células, moléculas, organelas e vesículas membranosas devem ser transportadas de um local a outro. Nas células nervosas, por exemplo, proteínas que são sintetizadas no corpo celular devem ser transportados ao longo do axônio até a região terminal. Nos axônios os microtúbulos estão orientados com suas extremidades (-) voltados para o corpo celular e as extremidades (+) para a porção final do neurônio. Assim, organelas como mitocôndrias, vesículas sinápticas e grânulos de secreção podem ser transportados do corpo celular para os terminais axôni-

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cos por meio da cinesina que se move em direção a extremidade +. Enquanto que, o fluxo do terminal axônico para o corpo celular ocorre pela ação de outra proteína motora, a dineína, que se move em direção à extremidade. Dessa forma, fragmentos de membrana e outras moléculas que serão degradadas nos lisossomos chegam ao corpo celular. c. Formação da fibra do fuso Quando uma célula recebe um estímulo para se dividir, toda a rede de microtúbulos é desmontada e as tubulinas são reutilizadas para formar as fibras do fuso, responsáveis pela separação de cromossomos homólogos (meiose) e/ou de cromátides irmãs (meiose e mitose). As fibras do fuso iniciam sua montagem a partir do centrossomo duplicado durante a interfase.

Figura 23 - Esquema mostrando a participação dos microtúbulos na divisão celular Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 187).

d. Estruturação de cílios e flagelos Cílios e flagelos são projeções da membrana plasmática contendo no seu interior um feixe de microtúbulos (axonema) arranjados em um padrão característico (9+2) com um par central de microtúbulos simples rodeado com 9 duplas periféricas, fusionadas, contendo um microtúbulos completo e outro parcial. Esse conjunto de microtúbulos se conecta entre si por proteínas MAPs como a nexina.

Os cílios e flagelos são responsáveis pelo movimento de uma variedade de células eucarióticas como os espermatozoides e vários protozoários de vida livre como o paramécio, um protozoário ciliado. Nas células fixas os cílios têm a função de movimentar fluidos sobre a superfície celular. Os cílios e flagelos diferem na quantidade e no comprimento. Os cílios são mais curtos e numerosos enquanto o flagelo é longo e em pequeno número, podendo ser único.

FILAMENTOS DE ACTINA Os filamentos de actina com diâmetro de 8-9 nm são formados pela polimerização de uma proteína globular denominada actina. A maioria dos organismos (vertebrados) possui isoformas de actina, designadas como actinas α β e γ que apresentam variações quanto sua ocorrência e localização. Por exemplo, a α-actina é expressa apenas em células musculares, ao passo que a β e γ actinas são encontradas em praticamente todas as células não musculares. Interessante notar que in vitro as isoformas de actina se polimerizam, mas in vivo, as células impedem a polimerização das isoformas e as concentram em diferentes localizações. Em sua forma monomérica, as actinas são designadas de actina G (de globular) e quando polimerizadas são designadas de actina F (de filamentar). A subunidade de actina é uma cadeia polipeptídica globular simples com um sítio de ligação para o nucleotídeo trifosfatado de adenosina (ATP). Os monômeros de actina são assimétricos e se associam de maneira regular, orientando-se sempre no mesmo sentido, garantindo assim a polaridade do filamento. A fenda de ligação de ATP no monômero de actina fica voltada para a extremidade designada extremidade menos (-) e a extremidade oposta como extremidade mais (+). A composição do filamento de actina consiste de dois protofilamentos paralelos enrolados um sobre o outro em uma hélice dextrógira orientados em uma mesma direção. 115

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As funções celulares dependentes dos filamentos de actina são inúmeras e muito diversificadas, a seguir serão considerados alguns exemplos relevantes: i. Forma e alterações na forma celular: os filamentos de actina são particularmente abundantes junto à membrana plasmática, onde formam uma rede responsável pelo suporte mecânico que determina a forma da célula. Nas microvilosidades, feixes de filamentos de actina estão interligados pelas proteínas ligadoras vilina e fimbrina. Braços laterais formados de miosina I e calmodulina, conectam filamentos de actina periféricos com a membrana plasmática. Todas as extremidades (+) estão na parte superior do microvilo inseridas em uma substância amorfa. ii. Formação do anel contrátil: na fase final da divisão celular de células animais ocorre a formação de um anel contráctil composto de filamentos de actina e miosina II, logo, a seguir da membrana plasmática que se contrai progressivamente e separa a célula em duas. Acredita-se que esse processo seja modulado pelo Ca++ que indiretamente causa a fosforilação da miosina por ativação de uma quinase. A miosina fosforilada interage com os filamentos de actina e os movimenta em direções opostas causando um encurtamento e consequente contração do anel.

iii. Contração muscular: o citoplasma das fibras musculares é constituído por miofibrilas, que são feixes cilíndricos, nos quais os filamentos de actina e miosina estão dispostos em uma série de unidades contráteis que se repetem denominadas de sarcômeros.

Figura 25 - Esquema demonstrando a participação dos filamentos de actina na constituição da célula muscular estriado esquelética Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 129).

FILAMENTOS INTERMEDIÁRIOS

Figura 24 - Esquema demonstrando a participação dos filamentos de actina durante a citocinese Fonte: Chapter… ([2016], on-line)9.

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Mais de 50 tipos de proteínas formam os filamentos intermediários. Todas elas têm um segmento central em α hélice e porções globulares amino e carboxiterminais. Essas proteínas se associam paralelamente formando dímeros, posteriormente, os dímeros se associam em tetrâmeros com uma orientação antiparalela. Os arranjos de ordem superior levam a formação de filamentos com 10nm de espessura. Ao contrário do que acontece nos microtúbulos e microfilamentos, os filamentos intermediários não apresentam polaridade das extremidades.

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As proteínas que constituem os filamentos intermediários podem ser classificadas de acordo com suas características moleculares em diferentes classes: I. Queratinas: (ácidas, básicas e neutras) – em células epiteliais. II. Vimentina e proteínas relacionadas: vimentina nas células mesenquimais; desmina nas células musculares e periferina nos neurônios. III. Proteínas ácidicas fibrilares glial: células da glia. IV. Neurofilamentos: neurônios. V. Lâminas (A, B e C): núcleo de células animais e vegetais. Proteínas acessórias também se conectam com os filamentos intermediários modulando suas propriedades. A filagrina, por exemplo, conecta feixes de queratina nas células epidérmicas. A plectina é uma proteína de integração que conecta feixes de vimentina e os interliga a microtúbulos, a feixes de filamentos de actina, a filamentos da proteína motora miosina II e ainda a membrana plasmática. A função dos FI é primariamente mecânica, a qual é atribuída a 2 propriedades principais: a alta resistência e a relativa estabilidade dos filamentos. A contribuição dos filamentos intermediários na formação de estruturas resistentes é nítida nos anexos epidérmicos como cabelos, unhas, chifres e cascos que são basicamente compostos de queratinas. Os filamentos intermediários capacitam as células a suportar o estresse mecânico, por isso, estão presente em grande quantidade em células suscetíveis a esse fator como nas células epiteliais, musculares e ao longo dos axônios dos neurônios. Nas células epiteliais, os filamentos de queratinas se estendem de um lado a outro da célula e estão firmemente ancorados à membrana plasmática por meio de proteínas acessórias, como as plaquinas, em duas áreas especializadas: os desmossomos e os hemidesmossomos que são regiões de contato célula-célula e célula-

-substrato, respectivamente. Essa trama de filamentos que indiretamente se interconecta por toda extensão da camada epitelial possui alta resistência à tração e distribui tensão quando a pele é esticada. A importância dessa função é ilustrada pela doença genética chamada epidermólise bolhosa simples, na qual, mutações nos genes da queratina interferem na formação desses filamentos na epiderme. Como resultado a pele se torna vulnerável a pequenos traumas mecânicos que rompem as células e leva a formação de bolhas. Embora os filamentos intermediários apresentem uma estabilidade maior quando comparado aos demais componentes do citoesqueleto, eles são amplamente rearranjados durante a divisão celular. Essas alterações são marcantes para as lâminas que compõem a lâmina nuclear. Em particular, a ruptura da membrana nuclear no início da divisão da célula depende da desmontagem dos filamentos de lâmina que formam uma malha que sustenta a membrana. À semelhança do que ocorre com os demais componentes do citoesqueleto, as proteínas acessórias auxiliam no papel estrutural e funcional dos filamentos intermediários. A plectina é uma proteína que interconecta os filamentos intermediários uns aos outros e à membrana, à microtúbulos e a filamentos de actina. Mutações na plectina levam a uma forma rara de distrofia muscular.

Figura 26 - Classificação dos filamentos intermediários Fonte: Alberts et al. (2011, p. 575).

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CÉLULA ESTRIADA ESQUELÉTICA

Contração Muscular

Na célula muscular estriada esquelética existe um arranjo específico dos filamentos de actina associadas a demais proteínas, principalmente, a miosina. Esses filamentos formam estruturas lineares que preenchem o citoplasma da célula muscular e que são denominadas genericamente de miofibrilas. As miofibrilas formam estruturas repetitivas chamadas de sarcômero.

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EDUCAÇÃO FÍSICA

Figura 27 - Organização dos filamentos do citoesqueleto na célula muscular estriadas esquelética Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 130).

Cada sarcômero é delimitado pelas linhas Z, as quais são constituídas por proteínas acessórias (cap Z e α actinina) e consiste no sítio de ancoragem das extremidades (+) dos filamentos de actina e outras proteínas (titina e nebulina) que contribuem na estruturação e estabilidade do sarcômero. O sarcômero é o espaço delimitado por duas linhas Z e são formados por filamentos ancorados a estas linhas Z. Esses filamentos são chamados de filamentos finos e filamentos grossos. Os filamentos finos são formados por filamentos de actina, associados a proteínas reguladoras - troponina e tropomiosina. Esses filamentos finos estão ancorados na linha Z pela proteína α-actinina. A tropomiosina é uma proteína filamentosa que se estende nos sulcos do filamento de actina. A troponina é uma proteína globular, formada por três subunidade (C T e I). A subunidade C da troponina tem forte afinidade ao cálcio, aa subunidades T e I associam-se ao filamento de actina em regiões es-

pecíficas do filamento de actina. No filamento fino ainda há a nebulina que regula o número de monômeros de actina no filamento. A tropomodulina capeia a extremidade (-) dos filamentos de actina para impedir a despolimerização desses filamentos.

Figura 28 - Organização dos filamentos finos que formam as miofibrilas da célula muscular estriada esquelética Fonte: Junqueira et al. (2012, p.130).

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Intercalando os filamentos finos estão os filamentos grossos, que são feixes de filamentos de miosina. A molécula de miosina presente no sarcômero é a miosina II que contêm uma porção globular - cadeia pesada (cabeça) e uma porção linear - cadeia leve (bastão). Na porção globular estão os sítios de ligação para actina e uma região que se liga ao ATP e degrada esta molécula. O filamento grosso é formado por um arranjo formando um bastão linear

bipolar, com cabeças expostas na periferia do bastão, apenas nas extremidades, sendo a região central “lisa”. Os filamentos de miosina se prendem a linha Z por meio de uma proteína chamada de titina. A titina mantém o filamento de miosina alinhado no centro do sarcômero e também impede que o sarcômero se colapse durante o estiramento do músculo. Na região central do sarcômero, proteínas ancoram filamentos de miosina II adjacentes entre si (linha M).

Figura 29 - Esquema mostrando a organização dos filamentos para a formação do sarcômero Fonte: Alberts et al. (2011, p. 1028).

O arranjo dos filamentos finos e grossos ancorados a linha Z para a formação do sarcômeros fará com que exista regiões onde há sobreposição apenas de filamentos finos e outras regiões com sobreposição de filamentos finos e grossos. As regiões próximas as linhas Z apresentam apenas sobreposição de filamentos finos e se apresenta mais clara, quando analisada em microscopia, sendo chamadas de banda I. O centro do sarcômero apresenta sobreposição alternados filamentos finos e grossos, apresentando-se mais escuras, quando analisadas em microscopia, e são chamadas de banda A. Como os filamentos finos não chegam ao centro do sarcômero, o centro da banda A tem uma região denominada de banda H. Cada sarcômero é formado por duas semi-bandas I e uma banda A e uma banda H. A alternâncias dessas faixas transversais claras e 120

escuras é a responsável pelas denominação de músculo estriado. Essa organização está presente também na musculatura do coração, mas por ter uma regulação nervosa distinta, este foi chamado de músculo estriado cardíaco.

Figura 30 - Imagem de microscopia da célula muscular estriada esquelética Fonte: Infopédia ([2016], on-line)10.

EDUCAÇÃO FÍSICA

A base da contração muscular se dá pela interação das cabeças da miosina com os filamentos de actina. Ciclos de retração e relaxamento das cabeças, associados à hidrólise do ATP e sua reposição, permite o deslizamento dos filamentos de actina sobre os filamentos de miosina. Esse processo é iniciado quando o músculo recebe um sinal de um neurônio motor que gera um potencial de ação na célula muscular promovendo a liberação do Ca++ do retículo sarcoplasmático para o citosol. A ligação do Ca++ à troponina C promove uma alteração na sua conformação que consequentemente altera a posição da tropomiosina, liberando, nos filamentos de actina, os sítios de ligação para a miosina. Após essa etapa, as cabeças das miosinas se ligam aos filamentos de actina. A hidrólise do ATP promove uma alteração na conformação da miosina deslocando sua cabeça em direção a extremidade + dos filamentos de actina a uma distância de 5 nm. A seguir, a cabeça da miosina se liga a esta nova posi-

ção no filamento de actina (em um novo ângulo). Na sequência, ocorre liberação do Pi fortalecendo a ligação miosina/actina. Após um movimento de potência é desencadeado e a miosina retorna a sua posição original (configuração rigor) gerando o deslizamento dos filamentos de actina. Durante o movimento de potencial o ADP é liberado deixando a miosina pronta para um novo ciclo. Durante uma contração rápida, cada cabeça de miosina alterna seu ciclo ~5X por segundo. O encurtamento sincronizado de milhares de sarcômeros em cada miofibrila, dá a musculatura esquelética capacidade de contração suficiente para diversas atividades como andar, nadar correr etc. O relaxamento muscular ocorre quando o nível do Ca++ diminui e, desta forma bloqueando o sítio de ligação para a miosina sobre os filamentos de actina. Dessa forma, a célula muscular estriada esquelética promoverá a contração, produzindo os movimentos necessários a nossa fisiologia.

Figura 31 - Esquema mostrando o sarcômero relaxado e contraído Fonte: EHVetUnicentro (2012, on-line)11. 121

considerações finais

Caro(a) aluno(a)! Ao encerrarmos esta unidade, temos um conhecimento mais integrado sobre a célula procarionte, pois, já desvendamos, em outras unidades, a estrutura dessa célula e agora conhecemos os mecanismos de armazenamento da informação genética no núcleo interfásico e seus mecanismos de transmissão para células descendentes, bem como os elementos responsáveis pela forma e plasticidade da célula - o citoesqueleto. A célula, como unidade viva, tem que se reproduzir, e a divisão celular é o recurso que promove a propagação da vida, pois, uma célula dará origem a outras células e esses eventos somente serão possíveis com a participação dos elementos do citoesqueleto, quer seja para a separação do DNA (cromátides-irmãs) ou para a separação do citoplasma (citocinese). A divisão celular, no organismo pluricelular, tem vários objetivos e está dividida em dois tipos: mitose e meiose. A mitose se responsabiliza pela formação do organismo, seu crescimento, sua renovação e regeneração. Sem essa divisão, várias atividades fisiológicas ficariam comprometidas, por exemplo, a formação constante de células sanguíneas. Por sua vez, a meiose é responsável, na espécie humana, pela formação de gametas, promovendo a possibilidade de reprodução sexuada. A meiose reduz o número cromossômico de diploide para haploide e promove variabilidade genética, por meio da recombinação genética promovida no crossing-over. O citoesqueleto participa desses processos de divisões celulares, mas também exerce vários outros papéis, como a manutenção da forma, adesão celular, movimentos de organelas citoplasmáticas, deslocamento celular e a própria contração das células musculares. A contração muscular da célula muscular estriada esquelética é responsável por todos os movimentos do organismo humano e conhecer a estrutura morfológica e funcional dessa célula será fundamental para integrar os conceitos da prática da Educação Física.

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atividades de estudo 1. Células surgem de outras células vivas pelo processo de divisão celular. O crescimento de um organismo se dá por sucessivas divisões mitóticas, assim, uma única célula, o zigoto (ovócito fecundado) origina uma pessoa adulta com seus 10 trilhões de células. A divisão mitótica é responsável não só pelo crescimento do indivíduo, mas também pela reprodução assexuada, reposição celular e reparo de tecidos danificados ou injuriados. Uma célula se reproduz por meio de uma sequência ordenada de eventos que duplicam seus componentes e depois a dividem em duas. Esse ciclo de duplicação e divisão é conhecido como ciclo celular. O sucesso da divisão de uma célula requer um controle temporal e espacial dos eventos que ocorrem durante o ciclo celular. Observe as afirmações a seguir: I. A prófase é a primeira fase da divisão celular e nela ocorre a duplicação do par de centríolos e da molécula de DNA. II. Durante a metáfase da mitose as fibras do fuso alinham os cromossomos no centro da célula, posicionando cada cromátide – irmã para um dos polos celulares. III. Considerando a anáfase da mitose as fibras do fuso encurtarão em direção aos polos separando as cromátides irmãs. IV. A telófase reorganiza os núcleos fazendo com que o material genético volte ao estado de cromatina. V. A divisão mitótica origina células com o mesmo número cromossômicos e geneticamente diferentes. Assinale: a. Se apenas a alternativa II estiver incorreta. b. Se as alternativas I e V estiverem corretas. c. Se as alternativas I estiver correta e a II incorreta. d. Se as alternativas II, III e IV estiverem corretas. e. Se as alternativas IV e V estiverem corretas. 2. O tecido muscular estriado esquelético é especializado em contração. Suas células são alongadas, multinucleadas e preenchidas por filamentos proteicos que se organizam em sarcômero. I. No sarcômero das células musculares estriadas esquelética, a linha Z é formada por elementos dos filamentos intermediários do citoesqueleto e tem função de ancorar exclusivamente os filamentos de actina. II. No sarcômero, a proteína titina tem função de ancorar os filamentos finos na linha Z. III. Para que a contração ocorra é fundamental a presença da Ca+2. Esse íon fica armazenado na porção lisa do retículo endoplasmático liso, que recebe o nome de retículo sarcoplasmático. IV. As miofibrilas que formam o sarcômero das células musculares estriadas esqueléticas são actina e miosina que formam, respectivamente, o filamento grosso e o filamento fino do sarcômero. V. As bandas claras e escuras do sarcômero são denominadas, respectivamente, banda I e banda A. Assinale a alternativa correta:

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atividades de estudo a. Apenas a alternativa I está correta. b. Apenas a alternativa IV está incorreta. c. Apenas as alternativas I e II estão incorretas d. Apenas as alternativas I, II e III estão corretas. e. Apenas as alternativas III e V estão corretas. 3. Considerando a divisão celular meiótica que na espécie humana tem função de formar células reprodutivas chamadas de gametas. Observe as assertivas sobre esta modalidade de divisão celular: I. Durante a divisão meiótica são formadas quatro células com apenas um lote de cromossomos (haploides) e com combinações genéticas idênticas em cada uma delas. II. A anáfase I da meiose I é considerada reducional, pois, nessa fase, as cromátides-irmão de cada cromossomo são separadas. III. É durante a profáse I que ocorre a formação de cromossomos “híbridos” por meio do crossing-over. IV. A meiose I é um processo reducional, pois, na anáfase I os cromossomos homólogos são separados para polos opostos da mesma célula. V. O crossing-over é uma evento de recombinação genética e ocorre durante as prófases I e II. Assinale: a. Se apenas a assertiva III estiver correta. b. Se apenas as assertivas III e IV estiverem corretas. c. Se apenas as assertivas I e III estiverem corretas. d. Se apenas as assertivas IV e V estiverem corretas. e. Se apenas as assertivas I e II estiverem corretas. 4. As células eucariontes apresentam um de proteínas que formam uma rede denominada de citoesqueleto. Sobre essa estrutura da célula procarionte, observe as assertivas: I. O citoesqueleto é constituído exclusivamente por filamentos de actina e filamentos intermediários. II. Os filamentos intermediários são responsáveis pela organização de cílios e flagelos. III. Os elementos do citoesqueleto são constituídos por filamentos de actina, filamentos intermediário e microtúbulos. Esses elementos atuam exclusivamente na manutenção da forma da célula. IV. Microtúbulos são elementos do citoesqueleto, que entre outras funções, são responsáveis pela organização das fibras que promovem a movimentação dos cromossomos durante a divisão celular e pela organização de cílios e flagelos. V. Filamentos de actina são elementos do citoesqueleto que, entre outras funções são responsáveis pela contração de célula muscular estriada esquelética e pela sustentação das microvilosidades. 124

atividades de estudo Assinale: a. Se apenas as alternativas I e V estiverem corretas. b. Se apenas a alternativa III estiver correta. c. Se apenas as alternativas IV e V estiverem corretas. d. Se apenas as alternativas I e III estiverem corretas. e. Se apenas as alternativas II e III estiverem corretas. 5. A capacidade de crescer e se reproduzir são atributos fundamentais de todas as células. No caso de células eucariontes, o processo de gênese de novas células obedece a um padrão cíclico que começa com o crescimento celular e termina com a separação de seu núcleo e citoplasma, originando duas novas células. Esses eventos coordenados são denominados de ciclo celular. Este ciclo apresenta dois momentos distintos, a interfase e divisão celular mitótica. Com relação a esse ciclo celular observe as assertivas a seguir. I. A intérfase é o período em que a célula não está em divisão celular e portanto estará havendo, durante toda a duração da intérfase, a duplicação do DNA. II. Durante a intérfase o DNA estará organizado na forma de cromossomos para garantir a divisão desse material genético. III. A intérfase está dividida em períodos: G1, S e G2 e somente haverá a duplicação do DNA durante o período S. IV. Durante a intérfase o DNA estará na forma de cromatina, que permitirá que eventos como a duplicação e a transcrição possa ocorrer. V. No período G2 da intérfase ocorre a condensação da cromatina formando cromossomos. Assinale: a. Se apenas as assertivas III e IV estiverem corretas. b. Se apenas as assertivas I e II estiverem corretas. c. Se apenas as assertivas III e IV estiverem corretas. d. Se apenas as assertivas IV e V estiverem corretas. e. Se apenas as assertivas II e III estiverem corretas.

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LEITURA COMPLEMENTAR

NA CONTRATILIDADE DAS CÉLULAS MUSCULARES ESTRIADAS INTERVÊM FILAMENTOS DE ACTINA E VÁRIAS PROTEÍNAS ACESSÓRIAS A maquinaria contrátil das células musculares estriada é representada por estruturas regulares derivadas do citoesqueleto, as miofibrilas. Essas são tão longas quanto as próprias células e se dispõem paralelamente uma ao lado da outra. Seu comprimento e seu número dependem do comprimento e do diâmetro da célula muscular, respectivamente. A miofibrila é composta por uma sucessão linear de unidades contráteis denominadas sarcômeros. Ao microscópio eletrônico observa-se que entre os sarcômeros existe uma estrutura eletrodensa, o disco ou linha Z , localizada em meio a uma região pouco densa, a banda I (de isotrópica). Ao longo das microfibrilas, as bandas I se alternam com outras mais densas, as bandas A (de anisotrópica), e na parte média destas, se distingue uma zona de menor densidade, a banda H (faixa H). A estrutura básica de um sarcômero é observada os filamentos de actina originando-se dos discos Z e as fibras grossas polares, de miosina II, entre esses filamentos. Os cortes transversais comprovam que a banda I contêm unicamente filamentos de actina, a banda H somente fibras de miosinas II, e a banda A ambos os componentes. As mudanças que ocorrem no sarcômero durante a contração da célula muscular podem ser observadas com os microscópios de fase e de interferência. A banda A não se modifica, porém as hemibandas I se encurtam de forma proporcional ao grau de contração. O encurtamento das hemibandas I se deve ao fato de os discos Z se aproximarem mutuamente. Ao fazê-lo, empurram os filamentos de actina para o centro do sarcômero, de maneira que as áreas de superposição dos filamentos de actina com as fibras de miosina II se ampliam. Se a contração se acentuar, as extremidades livres dos filamentos de actina podem chegar até a linha M. Todos esses fenômenos se revertem durante o relaxamento. Os deslocamentos observados durante a contração devem-se ao fato de as cabeças das fibras de miosina deslizarem ativamente sobre os filamentos de actina. Para isso, cada cabeça se flexiona em relação ao talo fibroso, como se entre ela e o talo houvesse uma dobradiça. No músculo em repouso, as cabeças das miosinas II estão separadas dos filamentos de actina. Diante da chegada de estímulo apropriado ocorre a contração muscular como consequência dos seguintes fenômenos moleculares: 1) cada cabeça de miosina adere a um filamento de actina; 2) ao se flexionar avança um pequeno segmento para a extremidade [+] deste filamento, o qual se desloca, arrastando o disco Z de seu lado, para o centro do sarcô-

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LEITURA COMPLEMENTAR

mero; 3) em seguida, a cabeça da miosina se desconecta do filamento de actina e recupera sua posição de repouso; 4) em seguida, une-se ao mesmo filamento de actina, porém em um ponto mais próximo do disco Z; 5) como volta a se flexionar, o filamento de actina corre um pouco mais para a parte central do sarcômero, depois do que volta a se separar. Graças à bipolaridade da fibra de miosina e ao fato de os episódios anteriormente mencionados se repetirem várias vezes, os filamentos de actina de ambas as metades do sarcômero se aproximam mutuamente e, por isso, o sarcômero encurta seu comprimento. A contração da célula muscular resulta da soma dos encurtamentos de todos os seus sarcômeros. A flexão das cabeças de miosina II é desencadeada pelo Ca2+, cuja concentração aumenta no citosol quando a célula muscular é induzida a se contrair. Essa flexão é controlada pelas proteínas reguladoras tropomiosina, troponina I, troponina C e troponina T, que se encontram junto aos filamentos de actina. As três troponinas formam um complexo que se mantém unido graças à troponina T. No músculo em repouso, a tropomiosina se encontra sobre os filamentos de actina em uma posição tal que impede a união das cabeças de miosina II com esses filamentos. Essa posição é controlada pela troponina I, assim chamada porque inibe o deslocamento da tropomiosina. O aumenta da Ca2+ no citosol faz com que o íon se ligue à troponina C . O complexo Ca2+-troponina C bloqueia a ação da troponina I, o que permite à tropomiosina mudar de posição com relação aos filamentos de actina e, assim, as cabeças da miosina II podem se unir a eles. Na reação observa-se a molécula de tropomiosina em suas posições, correspondentes aos estados de relaxamento e de concentração do músculo. Nos discos Z encontra-se a proteína ligadora α-actinina. Nela se ancoram não somente os filamentos de actina, mas também os de titina, uma proteína ligadora que se estende até o centro do sarcômero, ou seja, até a linha M. A titina desempenha duas funções: mantém a fibra de miosina II em sua posição e, por ter um segmento que se comporta como uma mola restabelece o comprimento de repouso da célula durante o relaxamento muscular. Cada filamento de actina se acha associado a outra proteína gigante chamada nebulina,que tem por função determinar o comprimento do filamento durante a miogênese e conferir-lhe rigidez. As miofibrilas se acham unidas por seus lados mediante filamentos intermediários de desmina. Graças a eles, evita-se a perda do filamento dos sarcômeros no interior das células musculares diante de fortes tensões mecânicas a que estão submetidas.

127

LEITURA COMPLEMENTAR

Finalmente, por baixo da membrana plasmática, a célula muscular possui a proteína ligadora distrofina, que é semelhante à espectrina e conectam os filamentos de actina, localizados na periferia da célula com um complexo de proteínas membranosas chamadas distroglicanas e sarcoglicanas. Por sua vez, esse completo se une à laminina da lâmina basal que rodeia a célula. Diversas anomalias na distrofina ou em alguma das proteínas associadas, como consequência de alterações genéticas, dão lugar a enfermidades conhecidas como distrofias musculares, que se caracterizam pela degeneração progressiva dos músculos, o que pode prejudicar as funções cardíaca e pulmonar e levar à morte. Fonte: Lobo et al. (2013, on-line)12.

128

Colegas Ano: 2013 Sinopse: Colegas é uma divertida comédia que trata de forma poética coisas simples da vida, por meio dos olhos de três personagens com síndrome de Down. Eles são apaixonados por cinema e trabalham na videoteca do instituto onde vivem. Um dia, inspirados pelo filme “Thelma & Louise”, resolvem fugir no Karmann-Ghia do jardineiro em busca de três sonhos: Stalone quer ver o mar, Aninha quer casar e Márcio precisa voar. Em uma viagem do interior de São Paulo rumo à Buenos Aires, eles se envolvem em inúmeras aventuras como se tudo não passasse de uma eterna brincadeira de cinema.

Este trabalho analisa a inclusão escolar na rede pública de ensino traz à tona discussões pertinentes e constituintes desse novo paradigma social, principalmente para as crianças com Síndrome de Down, as quais têm seu processo de desenvolvimento cada vez mais estudado. O objetivo dessa pesquisa é verificar e analisar a interação social de crianças com Síndrome de Down e crianças com desenvolvimento típico, na rede regular de educação infantil em um município de médio porte no interior do estado de São Paulo. Acesse em: .

referências

ALBERTS, B.; BRAY, D.; HOPKIN, K.; JOHNSON, A.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P. Fundamentos da biologia celular. Porto Alegre: Artmed, 2011. ALBERTS, B.; LEWIS, J.; RAFF, M.; ROBERTS, K.; WALTER, P.; VANZ, A. L. de S.; JOHNSON, A. Biologia molecular da célula. Porto Alegre: Artmed, 2011. JUNQUEIRA, L. C. U.; CARNEIRO, J.; JORDÃO, B. Q.; ANDRADE, C. G. T. J.; YAN, C. Y. I. Biologia celular e molecular. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012.

Referências On-line 1 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 2 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 3 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 4 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 5 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 6 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 7 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 8 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 9 Em: < http://cc.scu.edu.cn/G2S/Template/View.aspx?courseType=1&courseId=17&topMenuId=113306&menuType=1&action=view&type=&name=&linkpageID=113784>. Acesso em: 19 dez. 2016. 10 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 11 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 12 Em: . Acesso em: 19 dez. 2016. 130

gabarito

1. D. 2. E. 3. B. 4. C. 5. A. 131

DISPONIBILIZAÇÃO DE ENERGIA PARA A CÉLULA - DEGRADAÇÃO DE CARBOIDRATOS Professora Dr.ª Márcia Cristina de Souza Lara Kamei

Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: • Introdução ao metabolismo energético • Estrutura das mitocôndrias • Glicólise • Destino do piruvato na via aeróbica • Ciclo do ácido cítrico (Ciclo de Krebs) • Cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa • Destino do piruvato na via anaeróbica

Objetivos de Aprendizagem • Reconhecer a estrutura morfológica e funcional das mitocôndrias. • Identificar a molécula de adenosina trifosfato como elemento de armazenamento de energia para atividade metabólica das células. • Diferenciar cada uma das etapas do processo de glicólise. • Diferenciar a via anaeróbica e aeróbica de degradação piruvato, relacionar as condições fisiológicas para que cada via ocorra e identificar os tipos celulares que realiza cada uma das vias. • Identificar cada uma das etapas de formação de acetil CoA. • Descrever cada uma das etapas do ciclo do ácido cítrico. • Relacionar a cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidativa como consumo de oxigênio.

unidade

IV

INTRODUÇÃO

Olá aluno(a)! Nesta unidade, estudaremos os mecanismos de transferência de energia entre os sistemas biológicos. Todos sabemos que a energia necessária para nos manter vivos e ativos, realizando nossas funções fisiológicas, incluindo a síntese de massa corporal, que provém dos alimentos que ingerimos. Bioquimicamente, os alimentos que ingerimos são denominados de proteínas, carboidratos e lipídios. Cada tipo de composto orgânico tem um valor energético inserido e, entre eles, os mais energéticos são as gorduras, porém, os mais utilizados para disponibilizar energia os carboidratos. Já as proteínas podem ser usadas para obtenção de energia para as células, porém sua função estrutural é mais usada. Os carboidratos são os elementos energéticos mais utilizados pelos seres vivos. Preferencialmente, todas as células, desde bactérias até células humanas trabalham com glicose, que é o monossacarídeo mais abundante do planeta e em nosso organismo, existem algumas células que só trabalham com glicose como células nervosas por exemplo. Por ser a glicose o elemento central na disponibilização de energia para as células do nosso organismo, iniciaremos este tema demonstrando as vias de degradação da glicose e o cálculo energético desse evento. A molécula de glicose pode ser degradada por duas vias metabólicas: aeróbica e anaeróbica. A via anaeróbica é uma atividade metabólica mais primitiva e corresponde a uma degradação incompleta da molécula e apenas 20% da energia contida nela é transferida para o ATP (adenosina trifosfato). Esse processo não depende da presença de oxigênio e é realizado no citoplasmas de células procariontes e algumas células eucariontes, além de incluir algumas células do organismo humano. A via aeróbica é mais complexa e realizadas apenas por células eucariontes, no interior de organelas chamadas de mitocôndrias e apenas na presença obrigatória do oxigênio; esta via disponibiliza muito mais ATP que a via anaeróbica. Ótimo estudo!

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Introdução ao

Metabolismo Energético Iniciaremos nossa unidade dando uma visão geral das vias metabólicas que disponibilizam energia para a manutenção das atividades celulares. As células necessitam de um constante suprimento de energia para gerar e preservar a ordem biológica que as mantém vivas. A energia química utilizada pelas células provém da degradação de compostos orgânicos. Nos organismos heterótrofos esses compostos são obtidos por meio da alimentação enquanto que os organismos autótrofos os produzem. Dessa forma, esses organismos se inter-relacionam por meio do metabolismo. 136

Os seres autotróficos possuem um sistema enzimático chamado de clorofila. Nas células eucariontes, a clorofila está localizada em uma organela que é a cloroplastos. Essas células utilizam a energia luminosa e transferem para ligações químicas que produzem compostos orgânicos. O processo que envolve as reações químicas de síntese de compostos orgânicos a partir de compostos inorgânicos com a energia luminosa é denominado de fotossíntese. A reação pode ser resumida na seguinte equação:

EDUCAÇÃO FÍSICA

6CO2 + 12H2O

LUZ

C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

C6H12O6 + 6O2

6H2O + 6CO2

Figura 1 - Relação entre a fotossíntese e a respiração celular Fonte: Santos (2012, on-line)1.

Como a energia foi transferida para as ligações químicas, essas moléculas orgânicas possuem energia armazenada, e ao sofrerem quebra a energia será liberada. No ambiente celular a energia liberada da quebra dos compostos orgânicos é transferida para a molécula de ATP. O processo que envolve as reações de degradação dos compostos orgânicos que geram uma forma de energia utilizável (na forma de ATP) pelas células eucariontes é denominado de respiração celular e inclui a participação de uma organela citoplasmática: as mitocôndrias, e da presença do oxigênio. Oxigênio proveniente da respiração pulmonar

Água que poderá ser utilizada no metabolismo celular

O ATP é um nucleotídeos da adenosina que tem como função o armazenamento temporário da energia retirada da quebra dos compostos orgânicos. A energia da molécula da ATP está armazenada nas ligações dos grupamentos fosfatos e nas células existe uma dinâmica entre a síntese e a degradação do ATP (NELSON et al., 2013).

NH3 N O

O

O

HO P O P O P O CH2 O

O

O

N N

N

O

OH OH Figura 4 - Estrutura bioquímica da molécula da ATP (adenosina trifosfato) Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 69).

ADP + Pi

C6H12O6 + O2 Glicose proveniente da digestão

6CO2 + 6H2O + energia Gás carbônico que deverá ser eliminado na expiração

Será armazenada na forma de ATP.

OXIDAÇÃO DE NUTRIENTES

PROCESSOS QUE REQUEREM ENERGIA

Figura 2 - Equação da respiração celular Fonte: a autora. CARBOIDRATOS LIPÍDIOS PROTEÍNAS

CO2

+

(H + e-)

ATP

COENZIMAS (oxidadas)

ATP + H2O

COENZIMAS (H++ e-) (reduzidas)

O2 + ADP + Pi

Figura 3 - Equação geral da degradação de compostos orgânicos para síntese de ATP Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 109).

Figura 5 - Esquema mostrando a dinâmica entre a síntese e a degradação de ATP Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 110).

A fotossíntese está relacionada à respiração e de maneira geral, há um balanço entre esses dois processos na biosfera. Tanto a fotossíntese quanto a respiração geram energia química utilizável 137

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

(ATP), cuja síntese é mediada por um gradiente de hidrogênio transmembrana. A respiração aeróbica envolve a oxidação de moléculas orgânicas em CO2 com redução do O2 em H2O associada a produção de ATP. Calor

Glicose

O2 Mitocôndria

Cloroplasto Fotossíntese

Calor

Respiração celular Calor

CO2 + H2O ATP Figura 6 - Relação entre a atividade metabólica da fotossíntese e a respiração celular Fonte: Cientic ([2016], on-line)2.

138

SAIBA MAIS

A ingestão elevada de carboidratos leva ao aumento da glicemia e esse aumento da glicose circulante no sangue está diretamente relacionada a várias doença metabólicas, incluindo o diabetes tipo II e obesidade. A obesidade, que em outras gerações era um distúrbio que afetava os adultos, já está presente nas crianças desta geração. Podemos concordar com hábitos que estimulam consumo de refeições ricas em carboidratos, como as oferecidas por redes de fast food, associando seu consumo a brindes que são oferecido junto com estas refeições? Não podemos esquecer que esses brindes são desejados pelas crianças, pois são ícones da indústria de entretenimento. Fonte: a autora.

EDUCAÇÃO FÍSICA

139

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Estrutura das

Mitocôndrias As mitocôndrias exibem formas alongadas, porém formas esféricas também são observadas. O tamanho das mitocôndrias podem variar entre 0,2 a 1,0 µm de diâmetro e de 2 a 8 µm de comprimento. A quantidade de mitocôndrias também varia para células de diferentes origens, estando diretamente relacionada à demanda energética da célula. A distribuição das mesmas no interior da maioria das células ocorre ao acidentalmente, mas há casos em que se concentram em regiões que a demanda energética é maior (JUNQUEIRA et al. (2012). 140

Em células musculares, por exemplo, as mitocôndrias estão associadas aos filamentos contráteis que requerem ATP. Em espermatozoides, elas se localizam na peça intermediária, justamente para facilitar o provimento de ATP para movimentação da cauda. Essas organelas membranosas podem ser visualizadas sob microscopía óptica com o emprego do corante verde janus, uma substância redox, que é oxidada para uma forma corada pelo citocromo C oxidase, um dos componentes da cadeia respiratória. Contudo, detalhes de sua estrutura só são ob-

EDUCAÇÃO FÍSICA

servados com o uso de um microscópio eletrônico. As mitocôndrias são organelas com duas membranas, uma membrana externa e outra que se invagina para o interior da mitocôndria formando cristas, denominada de membrana interna. Elas definem dois compartimentos na mitocôndria, o espaço intermembrana, localizado entre as duas membranas, e a matriz mitocondrial, que está circundada pela membrana interna. Crista mitocondrial Dobras que aumentam a superfície da membrana interna e a eficiência na produção de ATP

Ribossomos mitocondriais Contém RNA ribossômico. Participam da síntese proteica

Matriz mitocondrial Contém enzimas que metabolizam piruvato e ácido graxo produzindo acetilcoenzima A, contém enzimas do ciclo do ácido cítrico, tRNA, mRNA e rRNA

Espaço intermembranoso Contém enzimas várias. Acumula prótons transportados da matriz

Membrana interna Impermeável, contém os componentes da cadeia de transporte de elétrons. Transporte transmembrana de prótons

DNA mitocondrial Uma ou mais cadeias duplas contendo escasso número de genes

Membrana externa Contém enzimas de degradação dos lipídios a ácidos graxos. Permeável a moléculas de até 10.000 dáltons

Corpúsculos elementares Fazem parte da membrana interna e contém complexo proteico com atividades de ATP-sintetase

Já a membrana externa apresenta uma proteína conhecida como porina, que forma canais transmembrânicos, muito semelhante a proteínas porinas presente na membrana de bactérias. Na matriz mitocondrial pode ser observado os ribossomos, ácidos nucleicos e várias enzimas que participam do metabolismo de carboidratos, ácidos graxos e de compostos aminados. O DNA mitocondrial é uma molécula circular, semelhante ao DNA encontrado em bactérias e tem apenas genes que codificam algumas das proteínas mitocondriais, sendo que a grande maioria das proteínas mitocondriais são importadas do citoplasma da célula. Veremos agora como essa organela pode aproveitar a energia presente em ligações químicas covalentes, entre átomos de carbono (-C---C-), e transformá-la em energia elétrica, para novamente armazená-la em ligações químicas também covalentes, como ocorre entre ADP (adenosina difosfato) e fosfato na formação de moléculas de ATP. CARBOIDRATOS GLICOSE

PROTEÍNAS AMINOÁCIDOS Asp

As membranas mitocondriais são estruturalmente e funcionalmente distintas. Na membrana interna estão presentes: enzimas que sintetizam ATP, proteínas que promovem o fluxo de elétrons para promovem a síntese de ATP, enzimas envolvidas na degradação de composto orgânicos, entre muitas outras proteínas.

Ala Ile Cys Leu Gly Lys Ser Phe

ÁCIDOS GRAXOS

Glu

Piruvato (3) CO2 CO2

Figura 7 - Esquema da estrutura de mitocôndrias Fonte: Junqueira et al. (2012, p. 74).

LIPÍDIOS

Acetil-CoA (2) CoA

Oxaloacetato (4)

Citrato (6)

Malato (4)

Isocitrato (6) CO2

Fumarato (4)

α-Cetoglutarato (5)

Succinato (4)

CO2

Figura 8 - Esquema mostrando a convergência das vias de degradação dos diferentes compostos orgânicos Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.112).

141

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Glicólise Vamos iniciar pela degradação de moléculas de glicose. Como vimos no primeiro módulo desta disciplina, os carboidratos apresentam primordialmente a função energética. Esses elementos podem ser classificados como monossacarídeos, oligossacarídeos e polissacarídeos. Durante o processo digestório, a maioria dos carboidratos são degradados e o monossacarídeo resultante é a glicose, assim a glicose é absorvida pelas células epiteliais do intestino e levada para todas as outras células do nosso organismo, funcionando como combustível essencial. 142

Na célula eucarionte, a molécula de glicose será degradada pela via aeróbica, um processo que requer a presença do oxigênio e a atividade mitocondrial, porém em alguns tipos de células eucariontes, a molécula de glicose também pode ser degradada pela via anaeróbica. A degradação aeróbica da molécula de glicose ocorre em cinco etapas, que são: glicólise, formação de acetil CoA (coenzima A), ciclo do ácido cítrico, cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa (STRYER et al. 2014).

EDUCAÇÃO FÍSICA

Glicose (C6)

Glicólise

2 ADP + 2Pi 2 ATP + 2H2O

Coenzimas

4 (H+ + e-)

2 Piruvato (C3)

Citossol Mitocrôndria

2 Piruvato (C3)

Descarboxilação do piruvato

2 CO2

4 (H+ + e-)

Coenzimas

2 C2

2 C4

2 C6

Ciclo de Krebs 2 ATP 2 ADP + 2Pi

16 (H + + e-)

Coenzimas

4 H2O 4 CO2

Figura 9 - Resumo das etapas da degradação aeróbica da molécula de glicose Fonte: Mazzoco e Torres (2015, p.116).

A glicólise é a degradação da molécula de glicose (C6H12O6) em duas moléculas de piruvato ou ácido pirúvico (molécula com três carbonos). Essa é a primeira etapa, que ocorre no citoplasma de todos os tipos celulares do processo de oxidação de glicose para obtenção de energia (VOET et al. 2014). Essa etapa consiste em dez reações químicas, que são divididas em duas fases, a preparatória e fase de pagamento.

FASE PREPARATÓRIA DA GLICÓLISE A fase preparatória da glicólise tem cinco reações a serem consideradas, a primeira é: • Fosforilação da glicose em glicose 6-fosfato: é uma molécula da ATP que será convertida em ADP. Essa fosforilação impedirá que a molécula saia da célula, uma vez que o trans-

porte de glicose ocorre por difusão facilitada e depende da concentração de glicose nos meios intra e extracelulares. • Isomerização da glicose 6-fosfato em frutose 6-fosfato: haverá a alteração da molécula de glicose 6-fosfato em frutose 6-fosfato, realizado pela enzima isomerase. • Nova fosforilação: também tendo como doador de fosfato a molécula de ATP que forma uma hexose com dois grupos fosfato - frutose 1,6-bisfosfato. • Clivagem da frutose: a frutose 1,6-bisfosfato será quebrada, resultando em duas moléculas distintas: a diidroxiacetona fosfato e gliceraldeído 3-fosfato. • Isomerização de diidroxiacetona fosfato em gliceraldeído 3-fosfato: o que resultará, em duas moléculas de gliceraldeído3-fosfato para cada molécula de glicose. 143

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Concluído essas cinco reações químicas, iniciaremos a segunda fase da glicólise, chamada de fase de pagamento. Ao final da fase preparatória teremos um saldo de -2ATPs. Glicose ATP

1

ADP

P Glicose 6-fosfato 2

mando duas moléculas de 1,3-bisfosfoglicerato. Nesse processo, ocorre uma desidrogenação (um hidrogênio é retirado da molécula) em que é catalisada por uma desidrogenase que tem como coenzima a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD+) que ao receber o hidrogênio é reduzido a NADH + H+ (pois dois elétrons e apenas um próton permanece na coenzima, sendo o outro próton liberado diretamente no meio).

P Frutose 6-fosfato ADP

P Frutose 1, 6-difosfato

P 4 5

P

P Gliceraldeído 3-fosfato

Dihidroxiacetona fosfato (DHAP) Figura 10 - Resumo das reações químicas da fase preparatória da glicólise Fonte: Educação Física AEJS ([2016], on-line)3.

2 ATPs Glicose

2 ADPs 2 gliceraldeído 3-fostato

Figura 11 - Resumo da fase preparatória da glicólise Fonte: a autora.

FASE DE PAGAMENTO DA GLICÓLISE A fase de pagamento também consiste em cinco reações químicas. Nessa etapa haverá a produção de moléculas de ATPs e retiradas de hidrogênios da molécula que está sendo degradada. • Fosforilação do gliceraldeído 3-fosfato: haverá uma fosforilação do gliceraldeído 3-fosfato a partir de fosfato inorgânico: for144

Nucleotídio de nicotinamida ou riboflavina

3

Nicotinamida

Nucleotídio de adenosina

ATP

H

O C

NH2

+

N O -O

P

O CH2 O H H H H OH OH

O

Ribose

NH2 N

-O

P O

N

N O CH2 O N Adenina H H H H OH OH +

NAD

Figura 12 - Estrutura bioquímica do NAD (nicotinamida adenina difosfato) Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.117).

• Deslocamento do grupo fosfato para o ADP: isso produz ATP, e a molécula passa a ser o 3-fosfosglicerato. • Isomerização produzindo 2-fosfoglicerato: a enzima fosfoglicerato mutase transfere o grupo fosfato do carbono 3 para o carbono 2, formando 2-fosfoglicerato.

EDUCAÇÃO FÍSICA

• Desisdratação do 2-fosfoglicerato, originando fosfoenolpiruvato: uma molécula de água (H2O) é retirada da molécula que é convertida em fosfoenolpiruvato. • Transformação de fosfoenolpiruvato a piruvato, com consequente fosforilação de ADP em ATP: haverá a desfosforilação do fosfoenolpiruvato formando piruvato.

P +

2 NAD

6

2 P

2 NADH 2 P 2 ADP

P

1, 3-difosfoglicerato

7

2 ATP

A equação geral da glicólise pode ser resumida no esquema a seguir e evidencia que a oxidação da glicose, a piruvato e a produção de ATP estão diretamente associadas a redução de NAD+ e NADH+. Existe uma quantidade de NAD+ limitada dentro das células e a entrada de glicose do meio extracelular fará com que a quantidade de glicose a ser metabolizada sempre exceda a quantidade de NAD+, assim produzindo, a necessidade constante de reoxidar o NADH. Existem duas vias metabólicas para reoxidar o NADH, na presença de oxigênio (via aeróbica) e na ausência de oxigênio (anaeróbica). A glicólise é um evento que ocorre no citoplasma das células. Duas moléculas de piruvatos serão produzidas para cada molécula de glicose, bem como 4 molécula de ATPs e 2 molécula de NADH+H+, dessa forma, a glicólise terá um saldo de 2 ATPs, pois, gastaremos 2 ATPs na fase preparatória.

Gliceraldeído 3-fosfato

P

2

3-fosfoglicerato

8 P 2-fosfoglicerato

2

9

2 H2O

P fosfoenolpiruvato

2 2 ADP

10

2 ATP

ácido pirúvico (piruvato)

2

Figura 13 - Resumo das reações químicas da fase de pagamento da glicólise Fonte: Ebah (2016, on-line)4.

2 ATP

2 ADP 4 ADP

4 ATP

Glicose

2 Ac. pirúvico 2 NAD

2 NADH2

Figura 14 - Resumo da glicólise Fonte: a autora.

145

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Destino do Piruvato

na Via Aeróbica

Em condições aeróbicas o primeiro passo para oxidação total do piruvato é a sua conversão a acetil Coenzima A (Acetil CoA), para tanto, o piruvato será transportado do citoplasma para a matriz mitocondrial. Na matriz mitocondrial, ele sofrerá descarboxilaçâo (retirada de CO2), sendo, esse composto eliminado da via metabólica. Ocorrerá também desidrogenação, com a passagem dos elétrons e de um próton para o NAD+, formando NADH + H+. A molécula resultante da desidrogenação e descarboxilação será ligada a molécula de coenzima A (CoA), formando Acetil Coenzima A (Acetil CoA). 146

O

O +

H3C C COO- + HS-CoA + NAD

Piruvato Coenzima A

H3C C SCoA + NADH + CO2

Acetil-CoA

Figura 15 - Esquema da transformação do piruvato em Acetil CoA Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 123).

A molécula de acetil CoA produzidas por meio do piruvato (duas para cada molécula de glicose) serão encaminhadas para o ciclo do ácido cítrico, que é o segundo passo da degradação aeróbica. Como cada molécula de glicose produz dois piruvatos, haverá a formação de 2 moléculas de acetil CoA, levando a produção de duas moléculas de NADH+H+.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Ciclo do Ácido Cítrico

(Ciclo de Krebs)

Essa via metabólica irá integral a degradação de todos os compostos orgânicos, uma vez que são convertidos a acetil CoA. No momento esse acetil CoA derivou-se de piruvato, na matriz mitocondrial, logo o ciclo irá ocorrer na matriz mitocondrial. Esse ciclo consiste em oito reações sucessivas com várias descarboxilações e desidrogenações. Inicia-se com a condensação de acetil CoA com a oxaloacetato (presente na matriz mitocondrial), formando citrato. Assim o citrato será isomerizado condensando-o para o isocitrato.

O isocitrato será desidrogenado, formando α-cetoglutarato, sendo o hidrogênio usado para reduzir NAD+ a NADH + H+. Α-cetoglutarato vai ser descarboxilado e formará o succinil-CoA, para então o CO2 ser liberado da reação. Succinil CoA será convertido a succinato, e nessa reação ocorre a adição de um radical fosfato a uma molécula de GDP(guanosina difosfato), formando GTP(Guanosina trifosfato). Em termos bioquímicos o GTP é diferente do ATP, pois, trata-se de um nucleotídeo trifosfatado de guanosina. Porém, em termos, energéticos, a ligação do terceiro grupamen147

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

to fosfato armazena a mesma energia que a ligação do terceiro fosfato do ATP. O succinato será desidrogenado, e dessa vez o aceptor dos dois elétrons e dos prótons será o FAD, que será reduzido a FADH2. O fumarato é hidratado e forma-se o malato. Malato é desidrogenado e se forma o oxaloacetado, terminando o ciclo. Os elétrons e o próton é usado para reduzir NAD+ a NADH+H+. Como o oxaloacetato é sempre regenerado ao fim de cada volta, o ciclo pode oxidar acetil CoA continuamente.

CARBOIDRATOS GLICOSE

Podemos definir o ciclo do ácido cítrico como a completa degradação de acetil CoA a CO2 e neste tópico em questão a acetil CoA derivou de glicose. Cada molécula de Acetil CoA degradada no ciclo do ácido cítrico irá produzir 3 NADH+H+, 1FADH2, 1GTP. Cada molécula de glicose produzirá 2 moléculas de acetil CoA, dessa forma, para cada molécula de glicose degradada, o ciclo irá produzir: 6 NADH+H+, 2FADH2, 2GTPs.

PROTEÍNAS

LIPÍDIOS

AMINOÁCIDOS Asp

Ala Ile Cys Leu Gly Lys Ser Phe

ÁCIDOS GRAXOS

Glu

Piruvato (3) CO2 CO2

Acetil-CoA (2) CoA

Oxaloacetato (4)

Citrato (6)

Malato (4)

Isocitrato (6) CO2

Fumarato (4)

α-Cetoglutarato (5)

Succinato (4) Figura 16 - Imagem resumindo a integração da degradação de diferentes moléculas orgânicas e o ciclo do ácido cítrico Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 112).

148

CO2

EDUCAÇÃO FÍSICA

O resumo do ciclo do ácido cítrico pode ser analisado na imagem a seguir. H3C C

OXALOACETATO +

NADH + H

COO-

O SCoA

CITRATO

H2O COOHS-CoA CH2

C O

+

NAD

malato desidro- CH2 genase

COO-

Moléculas formadas / Etapas

HO C COOcitrato sintase

CH2 COO-

aconitase

COO-

MALATO COO-

CH2

HO CH

ISOCITRATO

H C COO-

CH2

HO CH

COO-

COO+

H2O

FADH2

GTPs/ ATPs

Glicólise

2

-

4 (-2)

Formação de acetil CoA

2

-

-

Ciclo do ácido cítrico

6

2

2

Total

10

2

6 (-2) = 4

Tabela 1 - Saldo das etapas de degradação aeróbica da molécula de glicose Fonte: a autora.

CH2 α-CETO-

FUMARATO CH

GLUTARATO

CH2

HC

C

COOsuccinato desidrogenase

FAD

NADH+H+

COO-

COO-

FADH2

NAD + NADH + H CO2

isocitrato desidrogenase

fumarase

Ao final do ciclo do ácido cítrico, podemos fazer um resumo para visualizarmos o saldo dos produtos formados. Com base no saldo até essa etapa, daremos seguimento. Tabela do rendimento de degradação de uma molécula de glicose.

succinato-CoA sintetase

α-cetoglutarato desidrogenase

COO-

COO-

CH2

CH2

CH2 COO-

HS-CoA NTP NDP+Pi

SUCCINATO

COOCoA +

NAD

CH2 C

O

O

CO2

+

NADH + H

SCoA

SUCCINIL-CoA Figura 17 - Reações químicas do ciclo do ácido cítrico Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 127).

149

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Cadeia Transportadora de Elétrons

e Fosforilação Oxidativa As etapas de oxidação de glicose, explicadas nos tópicos anteriores, levou a formação de uma grande quantidade de NADH+H+ e FADH2 (coenzimas em estado reduzidos). No entanto a produção de ATPs foi, até agora muito baixa - como se pode visualizar na tabela já apresentada. Essas coenzimas deverão ser oxidadas, pois a maior parte da energia retirada da molécula de glicose encontram-se armazenadas nas coenzimas reduzidas. As coenzimas devem ser reoxidadas por duas razões, primeiro para liberar a energia e segundo restituir as coenzimas oxidadas para que possam par150

ticipar da oxidação de outras moléculas de glicose. Essas moléculas de glicose continuam entrando na célula em quantidade limitada de NAD e FAD. A oxidação das coenzimas reduzidas irá ocorrer na membrana interna da mitocôndria. Na membrana interna estão presentes os complexos enzimáticos responsáveis pelo transporte de elétrons denominado de cadeia transportadora de elétrons. A maioria desses componentes agrupa-se em quatro complexos proteicos, que na imagem a seguir serão representados como I, II, III e IV. Esses complexos são proteínas transmembranas da membrana

EDUCAÇÃO FÍSICA

interna da mitocôndria que se organizam em ordem crescente de potenciais de redução. Temos ainda, dois componentes móveis da cadeia transportadora de elétrons que não fazem parte dos complexos: a coenzima Q - que conecta os complexos I e II ao complexo III, e o citocromo c - que conecta o complexo III ao complexo IV. As coenzimas reduzidas NADH+H+ transferem dois elétrons para o complexo I e esses elétrons serão transferidos na seguinte sequência: NADH+H+ → Complexo I → coenzima Q → Complexo III → citocromo C → Complexo IV → +

Oxigênio (átomo). As coenzimas reduzidas FADH2 doam seus elétrons primeiramente para o complexo II e com isso seguem a mesma via: FADH2 → Complexo II → coenzima Q → Complexo III → citocromo C → Complexo IV → Oxigênio (átomo). Esse movimento de elétrons gera uma força eletro-química e promove o bombeamento de prótons da matriz mitocondrial para o espaço intermembranoso. Esse bombeamento de prótons ocorre no complexo I, II e IV, como vemos na imagem a seguir. +

H ESPAÇO INTERMEMBRANAS

+

H

H

C Q

MATRIZ

+

H

I

II e-

+

H

e-

IV III

e-

+

+

H

+

O2 4H 2 H2O

H

ADP + Pi Figura 18 - Sequência do transporte de elétrons entre os elementos da cadeia transportadora e as regiões onde há implulso de prótons Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 143).

A movimentação desses prótons está relacionado a síntese de ATP, que utiliza a energia liberada por essas reações de óxido-redução. A teoria mais aceita para explicar o acoplamento do transporte com a síntese de ATP é chamada de teoria quimiosmótica. Essa teoria considera que a energia do transporte de elétrons é utilizada para bombear prótons por meio da membrana interna para o espaço intermembranoso. O transporte de H+ ocorre contra o

ATP +

H

gradiente. Esse sistema contra, gera um gradiente de prótons, ou seja, uma concentração diferente de prótons dentro e fora da matriz mitocondrial. A face interna voltada para a matriz da membrana interna fica mais negativa que a face externa, que é voltada para o espaço intermembranoso. A diferença de carga elétrica (gradiente elétrico) gera um potencial de membrana de ordem de 0,1 a 0,2 Volts. A energia conservada nesse 151

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

gradiente eletroquímico é chamada de força próton-motriz e é constituída por dois componentes: o gradiente de pH que é a concentração maior de prótons no espaço intermembranoso e o gradiente elétrico, matriz negativa em relação ao espaço intermembranoso. O retorno dos prótons ao interior da matriz é um processo espontâneo, a favor do gradiente eletroquímico, que libera energia capaz de levar a síntese de ATP. A membrana interna da mitocôndria é impermeável a prótons em toda sua extensão, exceto em sítios específicos, constituídos pelo complexo sintetizador de ATP, a ATP- sintase. Somente haverá a passagem dos prótons por meio destes complexo enzimático e o retorno destes prótons levará a produção do ATP.

Figura 19 - Esquema mostrando a relação do transporte de elétrons com a síntese de ATP Fonte: adaptado de Bios Jay Chemist (2013, on-line)5.

Para cada NADH que se oxida, ou seja, para cada par de elétron transportados pelos complexos I, III e IV - apresentados na imagem da cadeia - transportadora até chegar ao oxigênio, haverá a síntese de 3 moléculas de ATPs. Já quando o FADH2 é oxidado, o complexo I não é usado e o fluxo de prótons será menor, produzindo apenas 2 ATPs. 152

Podemos resumir esta produção de ATPs nas equações a seguir: NADH+H+ + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi + 3 H → NAD+ + 3 ATP + 4 H2O FADH2 + ½ O2 + 3 ADP + 3 Pi + 2 H → FAD + 2 ATP + 3 H2O A fosforilação oxidativa é a etapa final da degradação aeróbica da molécula de glicose. Essa degradação tem um saldo energético de 38 moléculas de ATPs. Podemos elucidar melhor na tabela a seguir: Tabela do saldo energético da degradação aeróbica de uma molécula de glicose. Moléculas formadas/ Etapas

NADH+H+

FADH2

GTPs/ATPs

Glicólise

2

-

4 (-2)

Formação de acetil CoA

2

-

-

Ciclo do ácido cítrico

6

2

2

Total

10

2

6 (-2) = 4

Moléculas de ATPs

30

4

4

Tabela 2 - Resumo do saldo de ATPs produzidos na degradação aeróbica da molécula de glicose Fonte: a autora.

Dessa forma, vemos que a degradação aeróbica de uma molécula de glicose levará a produção de 38 moléculas de ATPs. Parte da energia liberada pelo fluxo dos prótons não será aproveitada para produção de ATP, mas sim para liberar na forma de calor. Assim, a degradação de compostos orgânicos também vão ser responsáveis pelo processo de manutenção da temperatura corporal.

EDUCAÇÃO FÍSICA

SAIBA MAIS

A função primordial das mitocôndrias é a degradação de moléculas orgânica e a síntese de ATPs, transferindo a energia dos compostos orgânicos para o ATP. Nesse processo, parte da energia liberada se dissipa na forma de calor. Dessa forma, a degradação de alimentos, além de produzir ATP, também libera calor. Fonte: a autora.

Existe em mamíferos um tipo diferente de tecido adiposo, cujas mitocôndrias não produzem ATP e toda a energia dos compostos orgânicos é liberada na forma de calor, que é chamado de tecido adiposo marrom ou pardo. Essas mitocôndrias não possuem, em sua membrana interna, o complexo enzimático ATP sintetase, ao invés disso, os prótons impulsionados pelo transporte de elétrons retornam por uma proteína chamada de termogenina. A energia do retorno dos prótons por meio da termogenina é completamente dissipada na forma de calor. Na espécie humana, esse tecido adiposo se forma no feto, mas não se renova após o nascimento. Portanto, ele só existe por poucos anos após o nascimento, não sendo encontrado em adulto. Em mamíferos, incluindo a espécie humana, existe uma proteína diferente localizada na membrana interna de determinadas mitocôndrias que farão com que toda a energia proveniente do fluxo de prótons, seja dissipada na forma de calor sem a formação de ATP. Essa proteína se chama termogenina. No entanto o composto orgânico envolvido no processo são as gorduras, pois, as proteínas são exclusivamente encontradas em mitocôndrias do tecido adiposo marrom. 153

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Destino do Piruvato na

Via Anaeróbica

A glicólise anaeróbica é chamada de fermentação. Em anaerobiose, o próprio piruvato produzido pela glicólise servirá como aceptor dos elétrons do NADH, assegurando que ocorra a restituição do NAD+ para dar continuidade ao processo de degradação de moléculas de glicose. Existem tipos diferentes de fermentações que obedecem a um padrão comum que se desenrola em primeira etapa quando a glicose é transformada em piruvato com produção de NADH+H+ e seguida por uma conversão de NADH+H+ a NAD+. As 154

diferenças estão na segunda etapa da reação. Iremos apresentar a seguir as duas vias mais comuns: a fermentação láctica - onde o piruvato é convertido a ácido láctico (lactato), e a fermentação alcoólica - onde o piruvato é convertido em álcool etílico (etanol).

FERMENTAÇÃO LÁCTICA Nessa modalidade de fermentação, o piruvato recebe os elétrons do NADH, reduzindo-se a lactato, conforme mostram as imagens a seguir:

EDUCAÇÃO FÍSICA

O

lactato

+

2 H3C

C COO- + 2 NADH + 2H

desidrogenase

OH 2 H3C

Piruvato

C

+

COO- + 2 NADH

H Lactato

Figura 20 - Esquema da fermentação láctica Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.122).

Esse processo é utilizado por diversos micro-organismos que resultam em produtos fermentados do leite, como iogurtes e queijos. Na espécie humana essa via metabólica pode ser realizada por alguns tipos celulares, a exemplo hemáceas e músculo estriado esquelético. No caso das células musculares estriadas esqueléticas, quando estão em atividade metabólica intensa, o oxigênio trazido pela circulação sanguínea torna-se insuficiente para que o ATP necessário a esta atividade seja produzido. Como as células musculares estriadas esqueléticas armazenam glicose na forma de glicogênio muscular, a glicose está sendo disponibilizada, além da glicose trazida pela circulação, sendo a insuficiência restrita ao O2. Dessa forma, a degrada-

C COO- + H

+

Em alguns organismos como leveduras e algumas bactérias, a regeneração do NAD+ é feita pela fermentação alcoólica. Nessa via, o piruvato é descarboxilado, originando o acetaldeído, que servirá de aceptor de elétrons do NADH, reduzindo-se a etanol, como será mostrado na imagem a seguir. Esse processo é usado, por exemplo, para produção de bebidas alcoólicas fermentadas.

(TPP)

Piruvato

O H3C

FERMENTAÇÃO ALCÓOLICA

piruvato descarboxilase

O H3C

ção anaeróbica do piruvato (fermentação láctica) garantirá a restituição do NAD+ para dar continuidade a glicólise. O ácido lático produzido pelas células musculares estriadas esqueléticas são encaminhadas ao fígado e transformadas novamente em glicose.

+

C H + NADH + H

álcool desidrogenase

O H3C

C H + CO2

Acetaldeído

OH H3C

+

C H + NAD H

Figura 21 - Reações químicas da fermentação alcoólica Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.122).

155

considerações finais

Ao encerrarmos esta unidade você, caro(a) aluno(a) desvendou alguns dos princípios fundamentais do processo de transferência de energia entre os sistemas biológicos que são fundamentais para a manutenção dos processos metabólicos das células. Toda energia que chega no planeta vem do sol e é incorporada nos seres vivos, graças ao processo de fotossíntese que converte energia luminosa e calorífera em energia de ligações químicas dos compostos orgânicos (proteínas, carboidratos e gorduras). Quando estes compostos são degradados, parte da energia é desviada para a produção de ATP e outra parte se dissipa na forma de calor. A glicose é o principal combustível para nossas células, sendo fundamental para o metabolismo, uma vez que é a única base para células nervosas. A glicose pode ser degradada por via aeróbica ou anaeróbica, sendo que a via anaeróbica na espécie humana é limitada a determinados tipos celulares. A degradação aeróbica compreende etapas, como glicólise, formação de acetil CoA, ciclo do ácido cítrico, cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa. Dessas etapas, apenas a glicólise ocorre no citoplasma e todas as demais envolvem atividade mitocondrial. A degradação aeróbica de glicose somente ocorrerá na presença obrigatória de oxigênio e levará a produção de 38 ATPs por molécula degradada. A degradação anaeróbica na espécie humana está limitada a fermentação láctica e apenas alguns tipos celulares podem realizá-las, por exemplo, as células musculares estriadas esqueléticas. Essas células apenas usam a via metabólica quando o fornecimento de oxigênio for menor que a necessidade em produção de ATP. No próximo módulo, desvendaremos as vias de degradação das demais moléculas e calcular seus rendimentos energéticos. Até a próxima.

156

atividades de estudo 1. A liberação de energia a partir da quebra de moléculas de glicose compreende basicamente três fases: glicólise, ciclo de Krebs e cadeia respiratória. Sobre esse assunto, observe as assertivas a seguir: I. Na cadeia respiratória, que ocorre nas cristas mitocondriais, o NADH e o FADH2 doam seus elétrons, que serão transportados até o átomo de oxigênio. II. A glicólise é um processo metabólico que só ocorre em condições aeróbicas, enquanto o ciclo de Krebs ocorre também nos processos anaeróbios. III. Nas células eucarióticas, a glicólise ocorre no citoplasma, enquanto o ciclo de Krebs e a cadeia respiratória ocorrem no interior das mitocôndrias. IV. No ciclo de Krebs, uma molécula de glicose é quebrada em duas moléculas de ácido pirúvico. V. A utilização de O2 se dá no citoplasma, durante a glicólise. Assinale: a. Se apenas a afirmativa III estiver correta. b. Se apenas as afirmativas I e III estiverem corretas. c. Se apenas as afirmativas II e IV estiverem corretas. d. Se apenas as afirmativas II e III estiverem corretas. e. Se apenas as afirmativas III e V estiverem corretas. 2. Após disputar a prova olímpica que lhe rendeu medalha de ouro nas olimpíadas Rio-2016, Usain Bolt se submeteu a um exame bioquímico para verificar a dosagem de ácido lático em sua corrente sanguínea. Foi verificado que após o exercício a quantidade de ácido lático estava alta em sua corrente sanguínea, isso é devido ao(a): a. Excesso de oxigênio no sangue causado pelo aumento da frequência cardíaca. b. Excesso de gás carbônico no sangue pela dificuldade de sua eliminação pela respiração. c. Aumento de temperatura corporal causado pelo esforço físico muscular. d. Fermentação nos músculos pelo aumento da demanda de energia durante a corrida, e, insuficiência no fornecimento de oxigênio pelo sistema respiratório. e. Diminuição da temperatura interna pela perda de calor durante o esforço realizado. 3. A mitocôndria é considerada como o centro de produção energética da célula, em que ocorrem as principais etapas de degradação dos alimentos para a produção de energia. Assinale a alternativa que contém uma etapa que NÃO ocorre na mitocôndria. a. Descarboxilação oxidativa. b. Ciclo de Krebs. c. Glicólise. d. Fosforilação oxidativa. 157

atividades de estudo 4. A glicose é a principal fonte de energia utilizada pelas células. O caminho realizado pela glicose, desde a sua entrada nas células até a produção de ATP, envolve uma série de reações químicas, que geram diferentes intermediários e produtos. Considere a seguinte rota metabólica.

I

CO2

Ácido pirúvico

NADH2 H2

AcetilCoA

ADP + P

H2

Cadeia respiratória Crista

Glicose

III

ATP

Matriz

Hialoplasma

O2

H2O

Etapas de degradação da molécula de glicose Fonte: Djalmasantos ([2016], on-line)6.

Os números I, II e III podem representar, respectivamente, os processos: a. Glicólise, Ciclo de Krebs e Fosforilação Oxidativa. b. Glicogênese, Ciclo de Calvin e Fotofosforilação. c. Glicólise, Ciclo de Pentoses e Ciclo de Krebs. d. Ciclo de Krebs, glicólise e Fosforilação Oxidativa. e. Ciclo de Krebs, Fotofosforilação e glicólise. 5. A glicólise é uma das etapas da respiração celular, processo responsável pela produção do ATP necessário para o organismo. A respeito da glicólise, observe as assertivas. I. A glicólise engloba cerca de dez reações químicas diferentes, sendo dividida em fase preparatória e fase de pagamento. A fase preparatória ocorre no citoplasma e a de pagamento ocorre na matriz mitocondrial. II. Na glicólise ocorre a quebra da glicose em duas moléculas de ácido pirúvico. III. Todas as etapas da glicólise ocorrem na matriz mitocondrial. IV. O saldo positivo de ATP no final da glicólise é de duas moléculas. V. A glicólise é uma etapa anaeróbia. Assinale: a. Se apenas as assertivas I e II estiverem corretas. b. Se apenas as assertivas I e III estiverem corretas. c. Se apenas as assertivas III e IV estiverem corretas. d. Se apenas as assertivas III e V estiverem corretas. e. Se apenas as assertivas II, IV e V estiverem corretas. 158

LEITURA COMPLEMENTAR

Alterações Metabolismo Carboidratos - DIABETES Diabetes Mellitus (DM) é uma doença metabólica causada pelo aumento glicemia (nível de glicose circulante). Sabemos que a glicose é a principal fonte de energia para o organismo, porém, a permanência em o excesso na corrente sanguínea é prejudicial. Quando níveis elevados de glicose são encontrados na corrente sanguínea, denominamos de hiperglicemia. A hiperglicemia constante, causa doenças como: infarto, derrame, insuficiência renal, dificuldade em cicatrizações, problemas visuais entre outras. O pâncreas é o responsável pela produção insulina, hormônio que é responsável pela regulação da glicemia. Existem receptores de insulina (tirosina quinase) na membrana celular para a entrada da glicose presente na circulação sanguínea. Uma falha na produção de insulina fará com que a glicose não entre nas células. O pâncreas produz glucagon, hormônio antagônico à insulina. Quando a glicemia cai, mais glucagon é secretado para restabelecer o nível de glicose na circulação. O glucagon é o hormônio predominante em situações de jejum ou de estresse, enquanto a insulina tem seus níveis aumentados em situações de alimentação recente. Existem dois tipos básicos de Diabetes, tipo 1 e o tipo 2. Iremos descrever o tipos separadamente DM tipo 1: corre destruição das células beta do pâncreas, usualmente por processo autoimune (forma autoimune; tipo 1A) ou menos comumente de causa desconhecida (forma idiopática; tipo 1B) (20,21). Na forma autoimune há um processo de insulite e estão presentes autoanticorpos circulantes (anticorpos antidescarboxilase do ácido glutâmico. O pâncreas não produz insulina ou a produz em quantidades muito baixas. Com a falta de insulina, a glicose não entra nas células, permanecendo na circulação sanguínea em grandes quantidades. A diabetes mellitus do tipo I é também caracterizada pela produção de anticorpos à insulina (doença autoimune). É muito recorrente em pessoas jovens, e apresenta sintomatologia definida, onde os enfermos perdem peso. O diabetes mellitus tipo 1 é a segunda doença crônica mais frequente da infância, menos prevalente apenas que a asma,e sua incidência vem aumentando nas últimas décadas, especialmente nas faixas etárias menores (PATTERSON et al. 2014). O DM1 é responsável por 90% dos casos de diabetes na infância, no entanto, apenas 50% dos casos são diagnosticados antes dos 15 anos. Dados epidemiológicos recentes, publicados no “Atlas de Diabetes 2013” da International Diabetes Federation (IDF) estimam uma prevalência de cerca

159

LEITURA COMPLEMENTAR

de 500 mil crianças menores de 15 anos com diabetes tipo 1 no mundo. Entre os países com maior número de casos novos por ano figuram Estados Unidos (13 mil), Índia (10.900) e Brasil (5 mil). As características próprias dessa faixa etária geram inúmeros questionamentos quanto aos parâmetros de tratamento, pois, os objetivos devem incluir não apenas o bom controle da doença, mas um plano que permita crescimento e desenvolvimento adequados, evitando sequelas e proporcionando um ambiente emocional saudável para o amadurecimento do indivíduo. Esse tipo de diabetes parece ser desencadeado por infecções (principalmente virais) e, em uma proporção menor de pessoas, por exposições ambientais a drogas ou estresse. Existe um forte padrão de herança para o diabetes do tipo 2. Aquelas pessoas com parentes de primeiro grau com diabetes do tipo 2 possuem um risco muito maior de desenvolver a diabetes tipo 2, com o risco aumentando com o número de parentes acometidos. No Diabetes tipo 1, a quantidade de injeções diárias de insulina será obrigatória e é variável em função do tratamento e também em função da ingesta de carboidratos. A insulina sintética pode ser de ação lenta ou rápida: ação lenta é ministrada ao acordar e ao dormir; ação rápida é indicada logo após grandes refeições. Para controlar este tipo de diabetes é necessário o equilíbrio de três fatores: a insulina, a alimentação e o exercício. DM tipo 2: mal funcionamento ou diminuição dos receptores das células. A produção de insulina está normal. Como os receptores não estão funcionando direito ou estão em pequenas quantidades, a insulina não consegue promover a entrada de glicose necessária para dentro das células, aumentando também as concentrações da glicose na corrente sanguínea. No Diabetes tipo 2 ocorre diminuição na resposta dos receptores de glicose presentes no tecido periférico à insulina, levando ao fenômeno de resistência à insulina. As células beta do pâncreas aumentam a produção de insulina e, ao longo dos anos, a resistência à insulina acaba por levar as células beta à exaustão. Desenvolve-se em etapas adultas da vida e é muito frequente a associação com a obesidade e idosos. Fonte: adaptação de Milech et al. (2015-2016, on-line)7.

160

Lehninger: Princípios de Bioquímica David L. Nelson e Michael M. Cox

Editora: Artmed Ano: 2003 Sinopse: este livro é um livro didático que apresenta os conteúdos básicos de Bioquímica. Inicia-se apresentando a estrutura básica das biomoléculas e insere um conteúdo amplo sobre metabolismo celular de todas as biomoléculas.

referências JUNQUEIRA, L. C. U.; CARNEIRO, J.; JORDÃO, B. Q.; ANDRADE, C. G. T. J.; YAN, C. Y. I. Biologia celular e molecular. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2012. MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica básica. São Paulo: Guanabara Koogan, 2015. NELSON, D. L.; COX, M. M.; VEIGA, A. B. G. da; CONSIGLIO, A. R.; LEHNINGER, A. L.; DALMAZ, C. Lehninger: princípios de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2013. STRYER, L.; TYMOCZKO, J. L; BERG, J. M. Bioquímica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W.; FETT NETO, A. G. Fundamentos de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2014.

Referências On-line 1 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 2 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 3 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 4 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 5 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 6 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 7 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016.

162

gabarito

1. B. 2. D. 3. C. 4. A. 5. E. 163

TRANSFORMAÇÃO E ARMAZENAMENTO DE ENERGIA PARA O METABOLISMO CELULAR - DEGRADAÇÃO DE LIPÍDIOS E PROTEÍNAS Professora Dr.ª Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

Plano de Estudo A seguir, apresentam-se os tópicos que você estudará nesta unidade: • Degradação de triacilgliceróis • Degradação de proteínas • Metabolismo do glicogênio • Gliconeogênese

Objetivos de Aprendizagem • Descrever o processo degradação de triacilgliceróis. • Relatar o processo de degradação de proteínas. • Detalhar a via de degradação dos grupo amino. • Compreender o papel do glicogênio e suas vias síntese e degradação do glicogênio. • Compreender a importância da gliconeogênese para a fisiologia do organismo.

unidade

V

INTRODUÇÃO

Caro(a) aluno(a)! Neste módulo, daremos continuidade ao estudo das vias de degradação de biomoléculas para obtenção de energia para as células. Iniciamos, no módulo anterior, os conceitos de fornecimento de energia para as células, com a degradação de carboidratos, por serem os elemento energéticos primordiais. No entanto, outras moléculas orgânicas são usadas para o fornecimento de energia. Neste módulo, abordaremos as vias de degradação de outros compostos orgânicos, calcular os rendimentos energéticos e discutir a relação custo/benefício metabólico para que o organismo utilize estes outros combustíveis como fonte de energia. Para esta abordagem, começaremos pelas vias de degradação dos ácidos graxos, derivados de triglicerídeos, cuja degradação rende um número muito maior de ATPs que a degradação de glicose. Porém, o processo de mobilização dos triglicerídeos não facilita a utilização destas moléculas e além disso, não são todas as células que apresentam a maquinaria enzimática para clivar os triglicerídeos. No organismo humano, o maior consumidor de ácidos graxos para fins energéticos é o tecido muscular estriado esquelético. Diante do exposto, sobram os aminoácidos, derivados da degradação de proteínas, para serem usados quando o organismo é submetido a situações de privação de carboidratos, sendo a principal fonte desses aminoácidos, proteínas que formam o tecido muscular. Em situações de escassez de carboidratos em nosso organismo, os aminoácidos, além de serem usados para fins energéticos, ainda serão mobilizados para uma via de produção de glicose para manter a atividade de células nervosa, que não conseguem sobreviver sem glicose, chamada de gliconeogênese. Dentro desses conteúdos, perceberemos que as células apresentam alguns recursos metabólicos para manter constante o fornecimento de moléculas que serão usadas para fins energético e que sem esses recursos, as células não sobreviveriam. Ótimo estudo!

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Degradação de

Triacilgliceróis A mobilização dos depósitos de triacilgliceróis das células adiposas inicia-se por ação da enzima lipase. Essa enzima tem sua ativação controlada por hormônios e é chamada de lipase hormônio-sensível. Outras lipases dão prosseguimento ao processo, que irá clivar a molécula, liberando glicerol e ácidos graxos. (MARZZOCO; TORRES, 2012). 168

O H2C OH H2C O C R lipases O O HC OH + 3H2O + + 3R C O + 3H HC O C R O H2C OH H2C O C R

Triacilglicerol

Glicerol Ácidos graxos

Figura 1 - Esquema da degradação de triglicerídeos para o fornecimento de ácidos graxos Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 190).

EDUCAÇÃO FÍSICA

O glicerol e os ácidos graxos, produzidos na reação ilustrada anteriormente, serão degradados por vias metabólicas distintas, que serão abordadas a seguir.

O

H C

Gliceraldeído 3-fosfato

H C OH CH2 O P

Pi NAD+

DEGRADAÇÃO DO GLICEROL O destino do glicerol é ser convertido em glicerol 3-fosfato, que será convertido em Diidroxiacetona fosfato. Como observado na equação, este processo irá gastar uma molécula de ATP e irá transferir hidrogênios para NAD+, resultando na formação de NADH+H+ (rende 3 ATPs na cadeia transportadora de elétrons). A molécula de Diidroxiacetona fosfato seguirá a via de degradação como descrito para a degradação de glicose.

O

O

CH2 O P

Estágio de ADP rendimento

ATP O

Fosfoglicerato cinase (PGK)

O C

3-fosfoglicerato

H C OH CH2 O P

Fosfoglicerato mutase

O C

ADP + H

HC O P

2-fosfoglicerato

CH2 O P

HC OH

H2O

glicerol quinase

H2C OH

O

Enolase

O C

Glicerol

C O

+

H2C OH

NAD NADH + H

HC OH H2C OH

1, 3-bisfosfoglicerato (1, 3-BPG)

H C OH

+

ATP

P

C

O

H2C OH

Gliceraldeído-3-fosfato desidrogenase (GAPDH)

NADH

CH2

Estágio de ADP endimento

glicerol 3-fosfato desidrogenase

Glicerol 3-fosfato

H2C OH C

O

H2C O

P

Diidroxiacetona fosfato Figura 2 - Esquema mostrando a degradação do glicerol Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.191).

Piruvato cinase (PK)

ATP O

P

Fosfoenolpiruvato (PEP)

P

O

O

O

C

C

C OH

C O

O

NADH

O C

NAD+

HO C H

CH2 CH3 CH3 Piruvato Piruvato Lactato L-lactato (forma enol) (forma ceto) desidrogenase (LDH) Figura 3 - Via de degradação do gliceraldeído 3-fosfato, oriundo da degradação do glicerol Fonte: Baynes e Dominiczak (2015, p. 146).

O piruvato produzido pelas reações mostradas na imagem acima será convertido em acetil CoA, que será encaminhado para o ciclo do ácido cítrico. Todos os NADH e FADH2 serão encaminhados para 169

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

cadeia transportadora de elétrons, promovendo a fosforilação oxidativa (NELSON et al., 2013). A tabela apresentada a seguir nos resume as etapas de degradação do glicerol e o saldo de produção de NADH, FADH2 e ATPs. Etapas

NADH

FADH2

ATPs/GTPs

Degradação do glicerol

1

Degradação de Dihidroxiacetona fosfato

1

Formação de acetil CoA

1

-

-

Ciclo do ácido cítrico

3

1

1

Total

6

1

3 (-1) = 2

Gasta 1

-

2

Ácido graxo

coenzima A

R-CH2-CH2-C-SCoA + AMP + PPi Acil CoA graxo

Nesse processo, considera-se que há um gasto energético de 2 ATPs, pois, quebrado duas ligações de grupo fosfato. Essa reação ocorre quando o ácido graxo passa pela membrana externa da mitocôndria e acil CoA graxo está no espaço intermembranoso.

Transporte

Tabela 1 - Resumo dos produto produzidos na etapas de degradação do glicerol Fonte: a autora.

Lembrando que cada NADH levará a produção de 3 ATPs e cada FADH2 formará 2 ATPs (6x2)+(1x2)+2= 22 ATPs são formados a partir da degradação do glicerol.

DEGRADAÇÃO DOS ÁCIDOS GRAXOS Como vimos, cada triglicerídeo que foi degradado liberou 3 ácidos graxos, que seguirá sua própria via de degradação, que veremos agora. O processo de degradação dos ácidos graxos ocorre em três etapas: ativação, transporte e beta-oxidação.

Ativação A ativação consiste em converter o ácido graxo em acil-CoA. Essa etapa ocorre por ação de acil CoA sintetase que está associada na membrana externa da mitocôndria, conforme demonstrado na equação a seguir: 170

R-CH2 -CH2-COO- + ATP + H-SCoA -------->

O Acil coA graxo produzido na ativação será degradado na matriz mitocondrial, porém, a membrana interna da mitocôndria é impermeável a acil CoA graxo. Portanto, a segunda etapa é o mecanismo de transporte de acil CoA para a matriz mitocondrial. Para que isso ocorra, Acil CoA será ligada a molécula de carnitina, que estão disponíveis no espaço intermembranoso da mitocôndria. A reação é catalisada pela enzima carnitina-acil-transferase, que existe em duas isoformas - I e II. A sequência de eventos é a seguinte: • Na face externa de membrana interna, a carnitina- acil-transferase I transfere o grupo acila da Acil CoA para a carnitina, formando acil-carnitina. • A acil-carnitina resultante é transportada por uma proteína transmembrana específica. • Na face interna da membrana interna, a acil-transferase II doa o grupo acila de acil-carnitina para uma coenzima A presente na matriz mitocondrial, formando uma nova acil- CoA e liberando a carnitina. • Carnitina retorna para o espaço intermembranoso por meio da mesma proteína transportadora.

EDUCAÇÃO FÍSICA

+ N(CH3)3 O

+ N(CH3)3

CH2

O

R C SCoA + HO CH CH2 COO-

CH2

H SCoA + R C O CH CH2 COO-

Carnitina

Acil-carnitina (a)

O Carnitina

R C SCoA

1 H SCoA

4

O

2

R C Carnitina ESPAÇO INTERMEMBRANAS

O Carnitina

R C SCoA

3

O R C Carnitina

H SCoA

MATRIZ

(b) Figura 4 - Demonstração do mecanismo de transporte de Acil coA do espaço intermembranoso para a matriz mitocondrial Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.192).

β-oxidação - Ciclo de Lynen Na matriz mitocondrial a acil-CoA será oxidada por uma via chamada de β-oxidação, porque promove a oxidação do carbono β do ácido graxo. Essa via também é conhecida como ciclo de Lynen e consiste em uma série cíclica de quatro reações, ao final das quais a acil-CoA fica com dois carbonos a menos, liberando uma molécula de acetil CoA, FADH2 e NADH. Para ácidos graxos com número pares de carbono, estas reações cíclicas serão realizadas até que fique uma acil-CoA com quatro carbono e, dessa última, sequência já serão formadas 2 moléculas de acetil CoA. Como em cada sequência, dois carbonos são retirados, dependendo do número de carbonos que o ácido graxo possuir, serão formados números específicos de acetil-CoA, NADH e FADH2. Para ácidos graxos pares o número de acetil CoA formados será a metade do número de carbonos e um a menos de NADH e FADH2.

O

O

O

R CH2 C

R CH2 CH2 C β α SCoA Acil-CoA (com n carbonos)

CH3 C

SCoA Acil-CoA (com n-2 carbonos)

SCoA Acetil-CoA tiolase

acil-CoA FAD desidrogenase

H SCoA FADH2

H

O

O H

O

R C CH2 C

R C C C SCoA

β

Trans-∆2-enoil-CoA

α

SCoA

β-Cetoacil-CoA

H2O enoil-CoA hidratase

OH

+

NADH + H

O

R C CH2 C H SCoA

β-hidroxiacil-CoA desidrogenase +

NAD L-Hidroxiacil-CoA

Figura 5 - Esquema da β-oxidação dos ácidos graxos (ciclo de Lynne) Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 193).

171

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Todas as moléculas de acetil CoA formadas serão encaminhadas para serem degradadas no ciclo do ácido cítrico e as moléculas de NADH e FADH2 (as produzidas na β-oxidação e no ciclo do ácido cítrico) serão processadas na cadeia transportadora de elétrons. Como exemplo, usaremos a descrição da degradação de uma molécula de 16 átomos de carbono.

Os ácidos graxos com números ímpares de carbono terão sua via de degradação diferente. Apesar de representarem uma minoria dos carboidratos disponíveis na dieta. O processo de degradação começa semelhante aos ácidos graxos pares, porém, apresenta diferenças na última volta do ciclo de β-oxidação. A última volta do ciclo da β-oxidação se inicia quando o acilCoA apresentar 5 carbonos e, nesAcilCoA 16C AcilCoA 14C AcilCoA 12C AcilCoA 10C sa etapa, será produzida uma acetil CoA e uma NADH, FADH2 e NADH, FADH2 e NADH, FADH2 e molécula de propionil CoA com os três carbonos Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA que sobraram (em vez de duas moléculas de acetil AcilCoA 8C AcilCoA 6C AcilCoA 4C 2acetilCoA CoA). Essa molécula de Propionil CoA será conNADH vertida a succinil CoA com gasto de uma molécula NADH, FADH2 e NADH, FADH2 e NADH, FADH2 e FADH2 Acetil CoA Acetil CoA Acetil CoA de ATP. Figura 6 - Resumo da β-oxidação de um Acil coA graxo com 16 carbonos Fonte: a autora.

CO2 H2O ATP ADP + Pi

H CH3 C H

Como visualizado no esquema descrito anteriormente, essa degradação teve o seguinte saldo: 8 acetil CoA, 7 NADH, 7 FADH2. Considerando que as moléculas de acetilCoA serão oxidadas no ciclo do ácido cítrico, e que cada molécula de acetil CoA irá produzir 3 NADH, 1FADH2, e um GTP, então, o saldo do ciclo do ácido cítrico será - 3x8 = 24 NADH + 1x8 = 8 FADH2 + 8x1= 8 GTPs. Somando todos os NADH (31) e FADH2 (15), temos que lembrar que cada NADH equivale a 3 moléculas da ATP ( 31x3=93 ATPs) e cada FADH2 equivale a 2 ATPs ( 15x2=30 ATPs) e somar os 8 GTPs que energeticamente equivale a 8 ATPS. Não podemos nos esquecer de subtrair os 2 ATPs que foram gastos na ativação. No final de todo o processo teremos: (93+30+8) - 2 = 131-2 = 129 ATPs que serão originados na degradação de um ácido graxo com 16 carbonos.

172

O

C

COOH C CH3

SCoA

O

Propionil-CoA

C

SCoA

D-Metilmalonil-CoA Propionil-CoA carboxilase (Biotina)

Metilmalonil-CoA racemase

COOCH3 C H O

C

SCoA

L-Metilmalonil-CoA

CH2 H C H O

C

SCoA

Succinil-CoA

Metilmalonil-CoA mutase (B12) Figura 7 - Transformação de propionil coA em succinil coA Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 195).

O Succinil CoA na reação mostrada acima, seguirá a via de degradação no ciclo do ácido cítrico, produzindo 1NADH + 1FADH2 + 1GTP, conforme demonstra a imagem a seguir.

EDUCAÇÃO FÍSICA

H3C

C

O SCoA

OXALOACETATO

C

+

COO-

HS-CoA

COO-

NAD

CITRATO

H2O

+

NADH + H

CH2 HO-

O

CH2 malato desidrogenase

COO-

C

COO-

CH2

citrato sintase

aconitase

COO-

COO-

MALATO HO

ISOCITRATO

CH2

COOH

CH

HO

CH2 COO-

C

COO-

CH COONAD

H2O

isocitrato desidrogenase

fumarase

+ +

NADH + H CO2

COO-

COO-

FUMARATO

CH2

HC

C

COOsuccinato desidrogenase

succinil-CoA sintetase

COOCH2

CH2 COO-

SUCCINATO

desidrogenase

CoA

CH2

CH2

FAD

O

COOα-cetoglutarato

COOFADH2

α-CETOGLUTARATO

CH2

CH

C HS-CoA

NTP

Figura 8 - Ciclo do ácido cítrico mostrando a entrada de succinil CoA (seta) Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.127).

NDP + Pi

+

NAD

O

SCoA

SUCCINIL-CoA

CO2

+

NADH + H

SAIBA MAIS

A síntese de ácidos graxos ocorre no citossol, para onde deve ser transportado o acetil-CoA formado na mitocôndria a partir de piruvato, como a membrana interna da mitocôndria é impermeável a acetil-CoA, os seus carbonos são transportados na forma de citrato. Nessa condição, o citrato não poderá ser oxidado pelo ciclo de Krebs, pois a isocitrato desidrogenase vai estar inibida, portanto será transportado para o citossol, onde é clivado em oxaloacetato e acetil-CoA. Para saber mais sobre o assunto, acesse: . Fonte: Reis (2011, on-line)1.

173

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Degradação de

Proteínas

As proteínas, apesar de terem fundamentalmente, função estrutural, também podem ser degradadas para fins energéticos. Devemos considerar, também que, como qualquer outro elemento orgânico, as proteínas não são permanentes, assim, pode-se dizer que elas estão em constante processo de síntese e degradação. Estima-se que em um adulto saudável com uma dieta adequada ocorra uma renovação de aproximadamente 400g de proteínas por dia. O conjunto de aminoácidos originados das proteínas que estão sendo degradadas não é igual àquele necessário a compor as proteínas que estão sendo sintetizadas. 174

Proteínas da dieta

Proteínas endógenas

AMINOÁCIDOS

Compostos nitrogenados não-proteicos

Cadeia carbônica Grupo amino Uréia Figura 9 - Esquema ilustrando a degradação de proteínas endógenas e fornecidas na alimentação, fornecendo aminoácidos para serem degradados Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 214).

EDUCAÇÃO FÍSICA

Quanto aos aminoácidos excedentes, eles não podem ser armazenados no organismo, desse modo, serão oxidados e o nitrogênio excretado.

+

NH3

O

R C COO-

R C COO-

H Aminoácido

α-Cetoácido

DEGRADAÇÃO DE AMINOÁCIDOS Os aminoácidos não serão degradados por uma única via, pois possuem cadeias laterais com estruturas variadas. Há, entretanto, um padrão seguido na oxidação de todos eles. Vamos relembrar a estrutura química de um aminoácido que foi abordada no módulo I, observando a figura a seguir.

H H2N

C

COOH

C HO H3C

O

+

CH2 NH3

H

CH2 O P

CH2 O P

HO H3C

+

N H Piridoxal-fosfato

+

N H Piridoxamina-fosfato

R Figura 10 - Fórmula geral de um aminoácido Fonte: Exercícios da academia e suplementos (2015, on-line)2.

Remoção do grupo amina Inicialmente, há remoção do grupo amino e a seguir a oxidação da cadeia carbônica em elementos comuns a degradação de carboidratos e lipídios. O grupamento amino nos mamíferos será convertido em ureia pelo fígado e excretado pelos rins. Os grupos amino da maioria dos aminoácidos é retirado por uma reação comum, que consiste na transferência deste grupo para o α-cetoglutarato, formando glutamato, assim a cadeia carbônica do aminoácido é convertida em α-cetoácido correspondente (STRYER et al., 2014). Aminoácido + α-cetoglutarato ↔ α-cetoácido + glutamato

+

NH3

-OOC CH2 CH2 C COO-

O -OOC CH2 CH2 C COO-

H Glutamato

α-Cetoglutarato

Figura 11 - Esquema mostrando a remoção do grupo amina para a degradação de aminoácidos Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 215).

O glutamato é um reservatório temporário de grupo amino, proveniente de muitos aminoácidos que encaminha este grupamento para as vias que podem excretá-los.

Destino do grupamento amino O glutamato formado poderá seguir dois caminhos que são desaminação e/ou transaminação, conforme demonstra a imagem a seguir:

175

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Aminoácido

α-Cetoglutarato

Oxaloacetato

T

Aspartato

T α-Cetoácido

α-Cetoglutarato

Glutamato GD NAD (P) + H2O +

+

NAD(P)H + H

+

NH4

Figura 12 - Esquema mostrando as duas vias possíveis (desaminação e transaminação) para a degradação do grupo amino Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 217).

Como mostrados na imagem, na transaminação, o grupamento amino é transferido para oxaloacetato, formando aspartato e α-cetoglutarato. Dessa forma, o aspartato é segundo depositário do grupo amino sendo retirado dos diversos aminoácidos que estão sendo degradados, conforme demonstra a imagem a seguir:

Aspartato-aminotransferase

Já na desaminação, o glutamato libera o seu grupo amino na forma de amônia (NH3), que em pH fisiológico se converte em íon amônio (NH4+). Essa reação utiliza NAD ou NADP como coenzima. A enzima que processa a desaminação é específica para glutamato, portanto, para disponibilizar o grupo amino de todos os outros aminoácidos, é necessário que ele esteja no glutamato. COO-

Oxalacetato

Aspartato

Glutamato

α-Cetoglutarato

Figura 13 - Esquema da via de transaminação do glutamato. Fonte: Sande (2009, on-line)3.

176

+

COO-

H3N CH + NAD(P) + H2O

+

CH2

CH2

CH2

CH2

COO-

COO-

Glutamato

+

C = O + NAD(P)H + H + NH4

α-Cetoglutarato

Figura 14 - Esquema da via de desaminação do glutamato Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.216).

EDUCAÇÃO FÍSICA

Dessa forma, no processo de degradação dos aminoácidos, depois que o grupamento amino é transferido para α-cetoglutarato, pode ocorrer desaminação ou transaminação. Tanto o aspartato como o íon amônio são precursores de uréia que será excretada pelos rins.

de ciclo da ureia e ocorrem, parcialmente na matriz mitocondrial e citossol. O carmaboil-fosfato, ainda na matriz mitocondrial, condensa-se com a ornitina, originando citrulina que é transportada para o citossol. No citossol a citrulina reage com o aspartato, formando arginino-succinato, e nessa reação uma molécula de ATP e hidrolisada a AMP, o que equivale ao gasto de duas moléculas de ATPs. Arginino-succinato se decompõe em arginina e fumarato. A arginina é hidrolisada produzindo ureia e regenerando a ornitina. O fumarato é degradado no ciclo do ácido cítrico. Essa degradação de fumarato leva a produção de 1 molécula de NADH - que vai ser encaminhada a cadeia transportadora de elétrons e fosforilação oxidativa. Essa cadeia de fosforilação oxidativa produz 3 ATPs que diminuem o gasto energético da produção de ureia - este gasto é de 4 ATPs.

Eliminação do grupamento amino O grupamento amino, retirados dos aminoácidos serão eliminados do organismo e para isto, deverão ser transformado em ureia. A ureia será sintetizada no fígado a partir de NH4+, aspartato e CO2. Os dois átomos de nitrogênio são proveniente de NH4+ e aspartato, enquanto o átomo de carbono provém de CO2. Após a formação no fígado, a ureia é encaminhada aos rins para ser excretada. A síntese de ureia inicia-se na matriz mitocondrial com a formação de carmaboil-fosfato a partir de bicarbonato e amônio, consumindo duas moléculas de ATPs. As reações que seguem são chamadas

NH4+ + HCO32 ATP 1 + 2 ADP + Pi + 2H O H2N C O P

CARBAMOIL-FOSFATO Pi

ORNITINA +

NH3 (CH2)3

CITRULINA

2

O HN C NH3 (CH2)3

MITOCÔNDRIA

+

+

HC NH3 COO-

HC NH3 COO-

ORNITINA O H2N C NH2

URÉIA

CITRULINA ATP

5

3

H2O

AMP + PPi +

+

NH2 HN C NH2 (CH2)3 + HC NH3 COO-

ARGININA

Figura 15 - Esquema do ciclo da ureia Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 218).

4 COOHC CH COO-

NH2 HN C N H (CH2)3 + HC NH3 COO-

COO+ H3N C H CH3 COO-

ASPARTATO

COOC H CH2 COO-

ARGININOSSUCCINATO

FUMARATO

177

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Aminoácidos Glutamato

HCO3 4 ATP

NH4+

Aspartato

3 Oxaloacetato NADH

CICLO DA URÉIA

3 ATP

2 Malato Fumarato 1

Figura 16 - Esquema da integração do ciclo da ureia com o ciclo do ácido cítrico (krebs) Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 219).

Destino dos α-cetoácidos (cadeia carbônica) O α-cetoácido formado sempre será intermediário da via de degradação de glicose e/ou da degradação de ácidos graxos, ou seja: piruvato, acetil CoA ou intermediários do ciclo do ácido cítrico (oxaloacetato, α-cetoglutarato, succinil CoA e fumarato. Assim, o rendimento em números de ATPs que cada aminoácido irá formar, dependerá de qual precursor seu esqueleto carbônico é convertido. O destino final dos α-cetoácidos dependerá do estado fisiológico do organismo, podendo seguir a via de degradação (fornecendo energia), serem transformados em glicose (para manutenção da glicemia - no processo de gliconeogênese, que veremos a seguir) ou convertidos a triacilglicerídeos (que serão armazenados no tecido adiposo). Os aminoácidos cujo α-cetoácidos produzem piruvato ou intermediários do ciclo do ácido cítrico são chamados de glicogênicos, pois são precursores de glicose. Já os aminoácidos cujo os α-cetoácidos são convertidos em acetil CoA e acetoacetil CoA, 178

podem ser convertidos em ácidos graxos e corpos cetônicos, sendo chamados de aminoácidos cetogênicos. Existe aminoácido que parte de suas cadeias carbônica são glicogênica e parte cetogênicas, sendo então denominados de aminoácidos glicocetogênicos, conforme especificado na imagem já descrita. Como as possibilidades de degradação são distintas para cada aminoácido, levando a uma quantidade variável de moléculas de ATPs, não calcularemos o número de ATPs formados por degradação dos α-cetoácidos dos aminoácidos.

REFLITA

As proteínas são elementos estruturais, que formam hormônio, enzimas, anticorpos e sua degradação para fins energético não é uma atividade metabólica desejável. O que será do desenvolvimento físico de crianças que são desprovidas de alimentação satisfatória?

EDUCAÇÃO FÍSICA

1. piruvato 2. oxaloacetato 3. fumarato 1 Ala Cys Gly Ser Thr Trp

4. succinil-CoA 5. α-cetoglutarato 6. acetil-CoA

6 Ile Leu Lys Phe Thr Trp Tyr

Piruvato

Acetil-CoA 2 Asn Asp

Oxaloacetato

α-Cetoglutarato 3 Asp Phe Tyr

Fumarato Succinil-CoA

4 Ile Met Thr Val

5 Arg His Gin Glu Pro

Figura 17 - Esquema mostrando os destinos dos esqueletos carbônicos (α-cetoácidos) para degradação Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 221).

179

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

META BOLISMO DO GLICO GÊNIO

Já abordamos no Unidade I, a estrutura molecular e funcional do glicogênio e sabemos que ele é um polímero de glicose, que servirá como reserva desta molécula durante os períodos de jejum. Em mamíferos e, consequentemente, na espécie humana, teremos armazenamento de glicogênio no fígado e no músculo esquelético que correspondem em média a 100g no fígado e 300g no músculo estriado esquelético. Esse glicogênio é sintetizado quando a oferta de glicose na corrente sanguínea é alta, o que ocorre normalmente após uma refeição. A degradação desses dois tipos de glicogênio atenderá necessidades diferentes. O glicogênio hepático irá fornecer glicose para manter a glicemia durante os períodos entre as refeições, e em principal no jejum noturno. 180

EDUCAÇÃO FÍSICA

DEGRADAÇÃO DO GLICOGÊNIO O glicogênio muscular será degradado para prover energia para a própria célula muscular. É importante durante a contração intensa, quando o gasto energético ultrapassa o fornecimento de oxigênio, sendo a glicose liberada pela quebra do glicogênio, degradada anaerobicamente, produzindo lactato. A degradação do glicogênio, que se chama glicogenólise, consiste na remoção sucessiva de resíduos de glicose, a partir das extremidades não redutoras, por ação da glicogênio fosforilase e libera um resíduo de glicose na forma de glicose 1-fosfato. A glicose 1-fosfato, retirada do glicogênio é convertida em glicose 6-fosfato pela enzima fosfoglicomutase. Glicose 6-fosfato é encaminhada para a via de degradação - glicólise - estudada no módulo IV. No fígado a glicose-6-fosfato é desfosforilada pela enzima glicose 6-fosfatase, liberando glicose. Como já estudado no módulo II, glicose poderá sair da célula, uma vez que o transporte de glicose ocorre por gradiente de concentração. Dessa forma, o glicogênio hepático libera glicose na corrente sanguínea, sendo responsável pela manutenção da glicemia. O tecido muscular estriado esquelético é desprovido de glicose 6-fosfatase, isso significa que o mesmo não transforma a glicose 6-fosfatase em glicose. Glicose 6-fosfatase não é transportada por meio da membrana plasmática. Dessa forma, o glicogênio muscular não será usado para manter a glicemia.

SÍNTESE Glicogênio (n+1 resíduos de glicose) UDP

glicogênio sintase

Glicogênio (n resíduos de glicose)

UDP-Glicose PPi glicose 1-fosfato uridil transferase UTP Glicose 1-fosfato fosfoglicomutase Glicose 6-fosfato ADP glicoquinase

ATP

Glicose Figura 18 - Esquema mostrando a degradação do glicogênio para liberação de glicose Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 164).

DEGRADAÇÃO Glicogênio (n resíduos de glicose) Pi Glicogênio (n resíduos de glicose)

glicogênio fosforilase

Glicose 1-fosfato fosfoglicomutase

SÍNTESE DO GLICOGÊNIO A síntese do glicogênio, denominada de glicogênese, consiste na repetida adição de unidades de glicose as extremidades não redutoras de um fragmento de glicogênio já existente. Para ser incorporada deve estar na forma ativada e ligada a um nucleotídeo de uracila, formando a uridina difosfato de glicose (UDP-G).

Glicose 6-fosfato H2O glicose 6-fosfatase Pi Glicose Figura 19 - Esquema da síntese de glicogênio Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p.164).

181

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

Gliconeogênese No organismo humano a maioria das células é capaz de suprir sua necessidade energética degradando os diferentes compostos orgânicos - glicose, ácidos graxos e aminoácidos. Entretanto, alguns tipos celulares, utilizam exclusivamente glicose como fonte de energia - células nervosas, hemácias, retina. Dessa forma, o fornecimento de glicose para esses tecidos devem se manter constante. O cérebro, por exemplo, gasta diariamente 120g de glicose. Aprendemos no tópico de metabolismo de glicogênio, que existem mecanismos para armazenamento de glicose que manterá a glicemia durante os períodos afastados das refeições - glicogênio he182

pático. Esse mecanismo é fundamental para manter constante o fornecimento de glicose para os tecidos. Mas é preciso lembrar que a reserva hepática é limitada e consegue manter o fornecimento de glicose por no máximo oito horas de jejum. Após esse período, uma outra via é chamada gliconeogênese é acionada. Essa via indica síntese de glicose nova, ou seja, a partir de elementos que não sejam carboidratos. A gliconeogênese não é, de forma alguma, uma via autotrófica, em que há síntese de compostos orgânicos a partir de elementos inorgânicos. A glicose será sintetizada a partir de compostos que não são carboidratos, mas são elementos orgânicos.

EDUCAÇÃO FÍSICA

Os precursores de glicose na gliconeogênese são: aminoácidos, lactato e glicerol. A Via de gliconeogênese ocorre no fígado e nos rins, sendo uma via fundamental para manter o metabolismo dos tecidos dependentes de glicose durante o jejum fisiológico, por exemplo, durante o sono (VOET et al., 2014). Os aminoácidos são os precursores principais da gliconeogênese, uma vez que as proteínas estão em constante processo de degradação e sempre haverá aminoácidos disponíveis. Porém temos que lembrar que, apenas os aminoácidos glicogênicos que podem ser convertidos em glicose. Vimos que os diferentes tipos de aminoácidos são transformados em alanina em sua via de degradação. Para esses aminoácidos entrarem na via de gliconeogênese, a alanina será convertida em piruvato e seguirá a via oposta a glicólise, necessitando de 2 moléculas de piruvato para produzir uma molécula de glicose. O lactato se origina nos tecidos musculares estriados esqueléticos, quando degradam a glicose anaerobicamente, portanto, terá uma contribuição significativa para a gliconeogênese em situações de contração muscular intensa. O lactato também será convertido em piruvato e a via será a mesma. Serão necessários também, dois lactatos para produzir uma molécula de glicose. O glicerol deriva da degradação de triglicerídeos e tem uma participação pequena na via de gliconeogênese, sendo usado somente em períodos prolongados de jejum. O glicerol será convertido a glicerol 3-fosfato e na sequência será convertido a dihidroxiacetona, que seguirá a via oposta da glicólise. Serão necessários, também, duas moléculas de glicerol para produzir uma molécula de glicose.

Alanina Lactato

Piruvato ATP Oxaloacetato GTP Fosfoenolpiruvato 2-Fosfoglicerato

Glicerol

3-Fosfoglicerato ATP 1, 3-Bisfosfoglicerato

Glicerol ATP quinase Glicerol 3-fosfato Glicerol 3-fosfato Desidrogenase

Gliceraldeído 3-fosfato

Diidroxiacetona fosfato

Frutose 1, 6-bisfosfato H2O Frutose 1, 6-bisfosfatase Pi Frutose 6-fosfato Glicose 6-fosfato H2O Glicose 6-fosfatase Pi Glicose Figura 20 - Via de gliconeogênese, mostrando os precursores Fonte: Marzzoco e Torres (2015, p. 172).

Podemos perceber na figura, que a síntese de glicose, a partir de lactato e alanina (aminoácidos) irá gastar 6 moléculas de ATPs. 2 piruvatos + 6 ATPs + 6 H2O + 2 NADH-------> glicose + 6 ADPs + 6 Pi + 2NAD + 2 H 2 Lactatos + 6 ATPs + 6 H2O -------> glicose + 6 ADPs + 6 Pi + 4 H Enquanto a síntese de glicose a partir do glicerol gasta apenas 2 moléculas de ATPs. 183

considerações finais

Caro(a) aluno(a)! Chegamos ao final da unidade e também da disciplina, compreendemos as vias de degradação de vários compostos orgânicos para disponibilização de energia para as células. Essas degradações têm sua importância metabólica centrada em dois aspectos fisiológicos: economizar glicose para o tecido nervoso e fornecer precursores para a síntese de glicose. Analisando as vias de degradação de diferentes moléculas orgânicas, percebemos que estas vias apresentam reações distintas até que seus compostos sejam convertidos a Aceti CoA. A partir desse ponto, as vias metabólicas de degradação de compostos se tornam únicas, evidenciando a grande simplicidade biológica dos seres vivos. Vimos que a glicose tem um papel fundamental no metabolismo energético de todas as células de nosso organismo e que células, como as nervosas, por exemplo, degradam apenas moléculas de glicose para fornecimento de energia. Dessa forma, o fornecimento de glicose para os tecidos nervosos deve ser constante e para isto temos dois recursos metabólicos: a regulação da síntese e degradação de glicogênio e a gliconeogênese. O glicogênio é produzido pelas células hepáticas e musculares estriadas esquelética quando há um fornecimento satisfatório de glicose para o organismo. Essa molécula se constitui em uma reserva de glicose para nosso organismo. Entretanto apenas o glicogênio hepático é capaz de disponibilizar glicose na corrente sanguínea. Sendo o glicogênio capaz de manter o fornecimento de glicose por apenas algumas horas, teremos a capacidade metabólica de produzir glicose a partir de outro compostos orgânicos e esta via se chama gliconeogênese e é a responsável por manter o fornecimento de glicose quando há um jejum prolongado. Ao encerrar esta disciplina adquirimos conhecimentos básico para entender o sistema que vamos trabalhar - o organismo humano. Esperamos que todos os conteúdos abordados neste livro possam contribuir na construção de um sólido conhecimento e profissional. Abraços e Sucesso.

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atividades de estudo 1. Qual o rendimento energético derivado da oxidação do ácido graxopalmitil CoA que tem 16 átomos de carbono e nenhuma insaturação? a. 8 FADH2, 8 NADH, 7 acetil- CoA num total de 129 ATPs. b. 7 FADH2, 8 NADH, 8 acetil- CoA num total de 106 ATPs. c. 7 FADH2, 7 NADH, 8 acetil- CoA num total de 126 ATPs. d. 7 FADH2, 7 NADH, 7 acetil- CoA num total de 109 ATPs. e. 7 FADH2, 7 NADH, 8 acetil- CoA num total de 119 ATPs. 2. O ciclo da ureia transforma o grupo amino retirado dos aminoácidos e transforma em ureia para tanto há um gasto energético. Existe uma compensação para esse gasto energético, que está relacionado com o Ciclo de ácido cítrico. Quais das seguintes afirmações é pertinente às interações entre estes dois ciclos metabólicos? a. O oxaloacetato é convertido a aspartato. b. O aspartato se combina à citrulina para produzir argininosuccinato no citossol. c. O arginiosuccinato é clivado a fumarato e arginina. d. O fumarato é um intermediário do Ciclo do ácido cítrico. e. Todas as alternativas estão corretas. 3. As reações do ciclo da uréia ocorrem em dois compartimentos celulares distintos. Que intermediário(s) do ciclo da ureia precisa(m) ser transportado(s) por meio da membrana mitocondrial interna? a. Argininosuccinato.

d.

Ureia.

b. Citrulina.

e.

Aspartato.

c. Ornitina. 4. Com relação a síntese e degradação de glicogênio, observe os itens a seguir: I. O Glicogênio é armazenado somente nas células hepáticas. II. O glicogênio é armazenado no fígado e no tecido muscular estriado esquelético, porém somente o glicogênio muscular é responsável por manter a glicemia. III. O fornecedor de glicose para formação do glicogênio é glicose 1-fosfato. IV. O glicogênio hepático é o único responsável por manter a glicemia. V. A célula muscular estriada esquelética não converte a glicose 6-fosfato em glicose, portanto, a glicose não sairá da célula, sendo então usado somente pela própria célula estriada esquelética.

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atividades de estudo Assinale: a. Se apenas a assertiva I estiver correta. b. Se apenas as assertivas III e IV estiverem corretas. c. Se apenas as assertivas II estiver correta. d. Se as assertivas III, IV e V estiverem corretas. e. Se apenas a assertiva IV estiver correta. 5. Considerando o metabolismo da espécie humana, temos como via importante a gliconeogênese, que é responsável, entre outras vias, por manter a glicemia nos períodos de jejum. Observe as assertivas sobre a via de gliconeogênese: I. É a síntese de glicose a partir de precursores não glicídicos. A gliconeogênese fornece uma porção substancial da glicose produzida em seres humanos em jejum, mesmo algumas horas após a alimentação. Ocorre no fígado e em menor grau no córtex renal. II. Os precursores não glicídicos que podem ser convertidos em glicose são: lactato - resultante de degradação anaeróbica de glicose, alanina resultante dos grupos amino quando da degradação de aminoácidos, e glicerol - resultante da degradação de triglicerídeos. III. A gliconeogênese é uma via metabólica que não demanda gasto energético. IV. A gliconeogênese a partir de lactato, glicerol e alanina gastam 2 moléculas de ATPs. V. O lactato é o principal precursor da gliconeogênese, pois, o músculo estriado esquelético produz lactato continuamente. Assinale: a. Se apenas a assertiva I e II estiverem corretas. b. Se apenas a assertiva IV e V estiverem corretas. c. Se apenas as assertiva III estiver correta. d. Se apenas a assertiva IV estiver correta. e. Se apenas as assertivas III e IV estiverem corretas.

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LEITURA COMPLEMENTAR

CONSEQUÊNCIAS DO JEJUM PROLONGADO O jejum é um estado no qual o indivíduo não ingere alimentos durante um tempo mínimo de 6 horas, sendo o jejum prolongado caracterizado pela falta de ingestão de alimentos durante um período superior a 72 horas. Um organismo humano saudável possui uma reserva de energia composta por gorduras, proteínas e açúcares. As gorduras são estocadas no tecido adiposo e constituem cerca de 85% das fontes de energia do corpo, as proteínas compõem em torno de 14% e os carboidratos (açúcares) somente 1%. No entanto, o jejum é prejudicial à saúde porque o organismo é dependente de quantidades constantes de glicose (açúcar) para sobreviver, não sendo a quantia de carboidrato armazenada o suficiente para manter constante o nível de glicose no corpo. A fim de gerar energia o organismo precisa degradar os carboidratos e transformá-los em glicose, bem como quebrar as proteínas em subunidades chamadas aminoácidos e reduzir as gorduras a ácidos graxos. Glicose, aminoácidos e ácidos graxos são substratos usados pelas células do corpo como combustível para realizar tarefas necessárias a sobrevivência do organismo. Grandes quantidades de glicose são armazenadas sob a forma de glicogênio, principalmente no fígado, assim como aminoácidos formam as proteínas e são estocados em maiores proporções nos músculos e os ácidos graxos compõem os triacilgliceróis e constituem as reservas do tecido adiposo. Durante as primeiras horas de jejum, a quantidade de glicose, aminoácidos e ácidos graxos que circulam no sangue diminui progressivamente, sendo essa baixa concentração responsável pela redução da quantidade de insulina secretada, ao passo que provoca um aumento da liberação de glucagon. A insulina e o glucagon são hormônios produzidos e liberados pelo pâncreas e são responsáveis pela regulação do metabolismo (processos físicos e químicos que acontecem no corpo) da glicose, dos ácidos graxos e das proteínas. Os dois hormônios têm funções opostas: enquanto a insulina desempenha papel importante no armazenamento de energia, promovendo a retirada dos substratos usados como combustível do sangue e estocando-os, o glucagon determina uma elevação da quantidade de fontes de energia no sangue para serem usadas pelas células do corpo.

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LEITURA COMPLEMENTAR

Assim, a insulina diminui a quantidade de glicose, aminoácidos e ácidos graxos do sangue, enquanto o glucagon promove um aumento dos mesmos; ao mesmo tempo em que a insulina aumenta a quantidade de glicose, aminoácidos e ácidos graxos no fígado, músculos e tecido adiposo respectivamente, enquanto o glucagon determina uma redução desses. Havendo durante o jejum uma pequena quantidade de substratos e de insulina circulando no sangue, porém uma grande concentração de glucagon, ocorre um período de catabolismo, durante o qual as reservas de energia do corpo são quebradas e disponibilizadas às células para serem utilizadas. Assim, na tentativa de fornecer glicose ao cérebro e aos outros tecidos que dessa dependem e abastecer outros tecidos de corpos cetônicos advindos dos ácidos graxos, acontece uma troca de substratos entre o fígado, os músculos, o tecido adiposo e o cérebro. Fonte: Costa (2010, on-line)4.

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O ciclo glicose-ácido graxo explica a preferência do tecido muscular pelos ácidos graxos durante atividade moderada de longa duração. Em contraste, durante o exercício de alta intensidade, há aumento na disponibilidade e na taxa de oxidação de glicose. A produção de Espécies Reativas de Oxigênio (EROs) durante a atividade muscular sugere que o balanço redox intracelular é importante na regulação do metabolismo de lipídios/carboidratos. Para saber mais informações sobre a Regulação do metabolismo da glicose, acesse a este link: .

referências

BAYNES, J. W; DOMINICZAK, M. H. Bioquímica Médica. Rio de Janeiro: Elsevier, 2015. MARZZOCO, A.; TORRES, B. B. Bioquímica básica. 04. ed. São Paulo: Guanabara Koogan, 2015. NELSON, D. L.; COX, M. M.; VEIGA, A. B. G. da; CONSIGLIO, A. R.; LEHNINGER, A. L.; DALMAZ, C. Lehninger: princípios de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2013. STRYER, L.; TYMOCZKO, J. L; BERG, J. M. Bioquímica. Rio de Janeiro: Guanabara Koogan, 2014. VOET, D.; VOET, J. G.; PRATT, C. W.; FETT NETO, A. G. Fundamentos de bioquímica. Porto Alegre: Artmed, 2014.

Referências On-line Em: . Acesso em: 21 dez. 2016. 2 Em: . Acesso em: 20 dez. 2016. 3 Em: . Acesso em: 21 dez. 2016. 4 Em: . Acesso em: 21 dez. 2016. 1

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gabarito

1. C. 2. D. 3. B. 4. D. 5. A. 191

BIOLOGIA E BIOQUÍMICA HUMANA

conclusão geral Caro(a) aluno(a)! Chegamos ao final da nossa disciplina tendo uma visão geral da estrutura e das atividades metabólicas de nossas células, que é a unidade morfológica e funcional dos seres vivos. Verificamos que em termos de constituição bioquímica, existe uma grande simplicidade nos seres vivos. Somos formados de moléculas orgânicas e inorgânicas. Nossas moléculas orgânicas são classificadas de acordo com sua constituição em proteínas, carboidratos, lipídios, ácidos nucleicos e vitaminas. Nossas células seguem um padrão básico de estrutura e são chamadas de células eucariontes. Esse tipo celular está presente em todos os seres vivos, excetos em bactérias, que são formadas por células procariontes. Células eucariontes apresentam organelas compartimentalizadas, sendo cada uma responsável por algumas atividades metabólicas. As células do nosso organismo são heterotróficas, ou seja, obtém sua energia degradando os compostos orgânicos, que armazenam energia em suas ligações químicas. Para tanto, estas moléculas serão degradadas a CO2 e H2O e a energia será liberada e transferida para a molécula de ATP (Adenosina trifosfato) Cada composto orgânico possuem uma via de degradação específica que o transformará em acetil CoA. Depois que a molécula é convertida em acetil CoA a via será a mesma para todos os compostos. Essa via são o ciclo do ácido cítrico, a cadeia transportadora de elétrons e a fosforilação oxidativa. Como a glicose tem um papel central na obtenção de energia para nosso organismo, temos no metabolismo, alguns recursos para disponibilizar glicose, como o armazenamento de glicogênio e a gliconeogênese que foram abordados ao longos das unidades deste livro. Como podemos perceber, com a exposição dos conteúdos abordados nesta disciplina, a célula é um magnífico sistema de manutenção da vida. Esperamos que estes conhecimentos tenham auxiliado nos seus estudos. Sucesso! Prof.ª Dr.ª Marcia Cristina de Souza Lara Kamei

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