segunda-feira, 9 de maio de 2011

Descrição de célula

A célula é a menor unidade capaz de manifestar as propriedades de um ser vivo; esta menor porção de matéria viva é capaz de sintetizar o conjunto, ou quase, de seus constituintes usando os elementos do meio, de crescer e de se multiplicar.

Fonte: MAILLET, Marc. Biologia celular. Rio de Janeiro: Masson, 1982.




ESTRUTURA DA MEMBRANA

Fotomicrografia evidenciando a membrana plasmática (Cortesia de Profa. Dra. Sônia Nair Báo – Lab. de Microscopia da UnB)

As membranas celulares são cruciais para a vida da célula. A membrana plasmática circunda a célula, define seus limites e mantém as diferenças essenciais entre o citosol e o ambiente extracelular. No interior das células eucarióticas, as membranas do retículo endoplasmático (RE), do aparelho de Golgi, da mitocôndria e de outras organelas circundadas por membranas mantêm as diferenças características entre o conteúdo de cada organela e o citosol. Gradientes de íons através da membrana, estabelecidos pelas atividades das proteínas especializadas da membrana, podem ser usados para sintetizar ATP, direcionar o movimento transmembrana de solutos selecionados ou, como nas células nervosas e musculares, produzir e transmitir sinais elétricos. Em todas as células, a membrana plasmática também contém proteínas que atuam como sensores de sinais externos, permitindo que as células mudem seu comportamento em resposta aos sinais ambientais, incluindo aqueles de outras células. Estas proteínas sensoriais, ou receptoras, transferem a informação ao invés de moléculas, por meio da membrana.
            Apesar de suas funções distintas, todas as membranas biológicas possuem uma estrutura geral comum: cada uma é uma fina película de moléculas de lipídeos (gordura) e proteínas unidas principalmente por interações não-covalentes. As membranas celulares são estruturas dinâmicas, fluidas e a maioria de suas moléculas move-se no plano da membrana. As moléculas lipídicas são organizadas como uma camada dupla contínua de cerca de 5 nm de espessura. Esta bicamada lipídica proporciona a estrutura fluida básica da membrana e atua como uma barreira relativamente impermeável à passagem da maioria das moléculas solúveis em água. As moléculas proteicas que atravessam a bicamada lipídica (proteínas transmembrana) medeiam quase todas as funções da membrana, por exemplo, transportando moléculas específicas através dela ou catalisando reações associadas à membrana, como a síntese de ATP. Na membrana plasmática, algumas proteínas transmembrana atuam como ligações estruturais que conectam o citoesqueleto através da bicamada lipídica à matriz extracelular ou a uma célula adjacente enquanto outras atuam como receptores para detectar e transduzir sinais químicos do ambiente celular. Como esperado, existem muitas proteínas de membrana diferentes que permitem que a célula funcione e interaja com seu ambiente, e estima-se que cerca de 30% das proteínas codificadas pelo genoma de uma célula anima sejam proteínas de membrana.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

A bicamada lipídica

A bicamada lipídica forma a estrutura básica de todas as membranas celulares. Ela é facilmente observada por microscopia eletrônica, e sua estrutura é atribuível exclusivamente a propriedades especiais das moléculas lipídicas, as quais se reúnem espontaneamente em bicamadas mesmo sob condições artificiais simples.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Os glicolipídeos são encontrados na superfície de todas as membranas plasmáticas

Moléculas lipídicas que contêm açúcar, denominadas glicolipídeos, encontradas exclusivamente na monocamada não-citosólica da bicamada lipídica, possuem a simetria mais exagerada em sua distribuição na membrana. Nas células animais, elas são constituídas de esfingosina, exatamente como a esfingomielina. Estas intrigantes moléculas tendem a se autoassociarem, parcialmente através de ligações de hidrogênio entre seus açúcares e parcialmente por meio de forças de van der Waals entre suas longas e retas cadeias de hidrocarbonos, e então preferencialmente se dividem em balsas lipídicas. A distribuição assimétrica dos glicolipídeos na bicamada resulta da adição de grupos de açúcares às moléculas lipídicas no lúmen do aparelho de Golgi. Assim, o compartimento no qual eles são produzidos é topologicamente equivalente ao exterior da célula. Assim que são liberados na membrana plasmática, os grupos de açúcares são expostos na superfície celular, onde desempenham importantes papéis nas interações da célula com suas vizinhas.
            Os glicolipídeos provavelmente ocorrem em todas as membranas plasmáticas das células animais, onde geralmente constituem cerca de 5% das moléculas lipídicas da monocamada externa. Eles também são encontrados em algumas membranas intracelulares. Os mais complexos dos glicolipídeos são os gangliosídeos, que contêm oligossacarídeos com um ou mais resíduos de ácido siálico, que fornece ao gangliosídeo uma carga líquida negativa. O mais abundante, entre os mais de 40 diferentes gongliosídeos já identificados, está localizado na membrana plasmática das células nervosas, onde os gangliosídeos constituem 5 a 10% da massa total de lipídeo. Também são encontrados em menores quantidades nos outros tipos celulares.
            Sugestões com relação à função dos glicolipídeos provêm de sua localização. Na membrana plasmática das células epiteliais, por exemplo, os glicolipídeos estão confinados na superfície apical exposta, onde podem auxiliar a proteger a membrana contra as severas condições frequentemente ali encontradas (como baixo pH e altas concentrações de enzimas degradantes). Glicolipídeos carregados, como os gangliosídeos, podem ser importantes devido aos seus efeitos elétricos. Sua presença altera o campo elétrico através da membrana e a concentração de íons, principalmente Ca2+, na superfície da membrana. Acredita-se que os glicolipídeos também atuem nos processo de reconhecimento celular, nos quais as proteínas ligadoras de carboidratos ligadas à membrana (lecitinas) se ligam aos grupos de açúcares de glicolipídeos e glicoproteínas no processo de adesão célula-célula. Entretanto, surpreendentemente, camundongos mutantes deficientes de complexos de gangliosídeos não apresentam anormalidades óbvias, embora os machos não possam transportar testosterona normalmente nos testículos e, consequentemente, sejam estéreis.
            Independentemente de sua função normal, alguns glicolipídeos proporcionam a porta de entrada para certas toxinas bacterianas. O gangliosídio GM1, por exemplo, atua como um receptor de superfície celular para a toxina bacteriana que causa a diarreia debilitante da cólera. As toxinas da cólera se ligam e entram somente naquelas células que possuem GM1 em sua superfície, incluindo as células epiteliais intestinais. Sua entrada na célula leva a um aumento prolongado na concentração do AMP cíclico intracelular, o qual por sua vez causa um grande efluxo de Na+ e água para o intestino.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Proteínas de membrana

Embora a bicamada lipídica forneça a estrutura básica das membranas biológicas, as proteínas de membrana desempenham a maioria das funções específicas de membrana e, portanto, fornecem a cada tipo de membrana celular suas características e propriedades funcionais. Consequentemente, as quantidades e os tipos de proteínas das membranas são altamente variáveis. Na membrana mielina, a qual atua principalmente como isolante elétrico do axônio da célula nervosa, menos de 25% da massa da membrana são constituídos por proteína. Por outro lado, nas membranas envolvidas com a produção de ATP (como a membrana interna das mitocôndrias e dos cloroplastos), aproximadamente 75% são proteínas. Uma membrana plasmática típica possui uma quantidade intermediária de proteínas, com cerca de metade de sua massa. Há sempre mais moléculas lipídicas do que moléculas de proteína nas membranas celulares, pois as moléculas lipídicas são pequenas quando comparadas com as moléculas de proteína, cerca de 50 moléculas lipídicas para cada molécula de proteína nas membranas celulares que possuem massa de proteína de 50%. As proteínas de membrana variam amplamente em estrutura e no modo como se associam com a bicamada lipídica, refletindo suas funções distintas.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Muitas proteínas de membrana são glicosiladas

A maioria das proteínas transmembrana das células animais é glicosilada. Como nos glicolipídeos, os resíduos de açúcar são adicionados no lúmen do ER e no aparelho de Golgi. Por essa razão, as cadeias de oligossacarídeos estão sempre presentes na porção não-citosólica da membrana. Uma outra diferença importante entre as proteínas (ou partes das proteínas) dos dois lados da membrana resulta do ambiente redutor do citosol. Esse ambiente diminui a chance de que ligações dissulfeto (S-S) inter e intracadeias se formem entre cisteínas da porção citosólica da membrana. Estas ligações formam-se na porção não-citosólica, onde podem auxiliar na estabilização da estrutura dobrada da cadeia polipeptídica ou sua associação com outras cadeias polipeptídicas.
            Os carboidratos revestem a superfície de todas as células eucarióticas, pois a maioria das proteínas da membrana plasmática é glicosilada. Estes carboidratos ocorrem como cadeias de oligossacarídeos covalentemente ligadas às proteínas da membrana (glicoproteínas) e aos lipídeos (glicolipídeos). Elas também ocorrem como as cadeias de polissacarídeos das moléculas de proteoglicanos integrais de membrana. Os proteoglicanos, que consistem em longas cadeias polissacarídicas ligadas covalentemente ao centro das proteínas, são encontrados principalmente no exterior da célula, como parte da matriz extracelular. No entanto, em alguns proteoglicanos, as proteínas do centro se estendem através da bicamada lipídica ou estão ligadas à bicamada por um ancoramento de GPI.
            Os termos glicocálice ou revestimento celular algumas vezes são usados para descrever uma zona da superfície celular rica em carboidratos. Esta cobertura de carboidrato pode ser visualizada por meio de vários corantes, como o vermelho de rutênio, bem como por sua afinidade com um corante fluorescente ou outros marcadores visíveis. Apesar de a maioria dos grupos açúcares estar ligada a moléculas intrínsecas de membrana plasmática, a camada de carboidratos também contém glicoproteínas e proteoglicanos que são secretados para o espaço extracelular e então adsorvidos na superfície celular. Muitas dessas macromoléculas adsorvidas são componentes da matriz extracelular, e o limite entre a membrana plasmática e a matriz extracelular frequentemente não é bem definido. Uma das muitas funções da camada de carboidrato é proteger a célula contra danos químicos ou mecânicos e manter outras células à distância, prevenindo interações indesejáveis proteína-proteína.
            As cadeias laterais oligossacarídicas das glicoproteínas e dos glicolipídeos são muito diversas na organização de seus açúcares. Embora normalmente contenham menos de 15 açúcares, frequentemente são ramificados, e os açúcares podem ser unidos por várias ligações covalentes, diferentemente dos aminoácidos de uma cadeia polipeptídica, os quais estão unidos por ligações peptídicas idênticas. Até mesmo três açúcares podem ser unidos para formar centenas de trissacarídeos distintos. A diversidade e a posição dos oligossacarídeos expostos na superfície celular os tornam adequados para atuar no processo de reconhecimento celular. As lecitinas ligadas à membrana plasmática, que reconhecem oligossacarídeos específicos nos glicolipídeos e nas glicoproteínas da superfície celular, medeiam muitos dos processos transitórios de adesão célula-célula, incluindo aqueles que ocorrem nas interações espermatozoide-óvulo, coagulação sanguínea, recirculação de linfócitos e respostas inflamatórias.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

As proteínas de membrana frequentemente atuam como grandes complexos

Muitas proteínas de membrana atuam como parte de complexos de múltiplos componentes, sendo que muitos foram estudados por cristalografia por raios X. Um deles é o centro de reação fotossintética bacteriano, o qual foi o primeiro complexo de proteína transmembrana a ser cristalizado e analisado por difração de raios X. Os resultados desta análise foram importantes para a biologia das membranas porque mostrou pela primeira vez como múltiplos polipeptídeos se associam em uma membrana para formar uma máquina proteica complexa. Tal complexo fotossintético atua para capturar a energia da luz usando-a para bombear prótons através da membrana. Muitos dos complexos proteicos de membrana envolvidos na fotossíntese, na bomba de prótons e no transporte de elétrons são centros de reação ainda maiores do que o fotossintético. O enorme complexo fotossistema II da cianobactéria, por exemplo, contém 19 subunidades proteicas e mais de 60 hélices transmembrana. As proteínas de membrana frequentemente são organizadas em grandes complexos, não somente para captar várias formas de energia, mas também para a transdução de sinais extracelulares em sinais intracelulares.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Muitas proteínas de membrana difundem-se no plano da membrana

Como a maioria dos lipídeos de membrana, as proteínas de membrana não saltam (flip-flop) através da bicamada lipídica, mas giram sobre um eixo perpendicular ao plano da bicamada (difusão rotacional). Além disso, muitas proteínas de membrana são capazes de se mover lateralmente dentro da membrana (difusão lateral). A primeira evidência direta de que algumas proteínas de membrana plasmática se movem no plano da membrana é decorrente de um experimento com células de camundongos artificialmente fusionadas com células humanas para produzir uma célula híbrida (heterocarionte). Dois anticorpos marcados diferentemente foram usados para distinguir proteínas selecionadas da membrana plasmática de camundongo e humana. Apesar de, inicialmente, as proteínas de camundongo e humanas estarem confinadas às suas próprias metades no heterocarionte recém-formado, os dois conjuntos de proteínas difundiram-se e se misturaram em toda a superfície da célula em aproximadamente meia hora.
            As taxas de difusão lateral das proteínas de membrana podem ser medidas utilizando-se a técnica de recuperação da fluorescência após clareamento (FRAP, fluorescence recovery after photobleaching). O método normalmente envolve a marcação da proteína de membrana de interesse com um grupamento fluorescente específico. Isto pode ser feito tanto com um ligante fluorescente, como um anticorpo marcado com um fluoróforo que se liga à proteína de interesse, quanto com a tecnologia do DNA recombinante para expressar a proteína fusionada à proteína fluorescente verde (GFP, green fluorescent protein). O grupamento fluorescente é então clareado em uma pequena área da membrana por um feixe de laser, e mede-se o tempo que as proteínas de membrana adjacentes, carregando ligantes não-clareados ou a GFP, levam para se difundir para dentro da área clareada. Uma técnica complementar é a perda da fluorescência na fotodegradação (FLIP, fluorescence loss in photobleaching) na qual um feixe de laser irradia continuamente uma pequena área da membrana para clarear todas as moléculas fluorescentes que nela se difundem, reduzindo gradualmente o número de moléculas fluorescentes na membrana circundante. A partir das quantificações por FRAP e FLIP, pode-se calcular o coeficiente de difusão da proteína de superfície celular marcada. Os valores para os coeficientes de difusão para diferentes proteínas de membrana em diferentes células são altamente variáveis, pois as interações com outras proteínas impedem a difusão de proteínas em graus variáveis, pois as interações com outras proteínas impedem a difusão de proteínas em graus variáveis. As medições de proteínas cuja difusão seja minimamente impedida indicam que as membranas celulares possuem uma viscosidade semelhante ao azeite de oliva.
            Uma desvantagem das técnicas de FRAP e FLIP é que elas monitoram o movimento de grandes populações de moléculas em áreas relativamente extensas de membrana. Não é possível avaliar moléculas de proteínas individuais. Por exemplo, se a proteína não migra para a área clareada, não é possível afirmar se a molécula é imóvel ou se seus movimentos estão restritos a uma pequena região da membrana, talvez por proteínas do citoesqueleto. A técnica de localização de uma única partícula resolve este problema marcando moléculas de membrana individuais com anticorpos ligados a corantes fluorescentes ou a pequenas partículas de ouro e seguindo seu movimento por videomicroscopia. Utilizando-se a localização de uma única partícula, pode-se registrar a via de difusão de uma única molécula de proteína de membrana por um determinado período de tempo. Os resultados obtidos usando-se todas estas técnicas indicaram que as proteínas de membrana plasmática diferem amplamente com relação a suas características de difusão.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

As células podem confinar proteínas e lipídeos em domínios específicos em uma membrana

O reconhecimento de que as membranas biológicas são fluidos bidimensionais foi o principal avanço para o entendimento da estrutura e da função das membranas. Entretanto, ficou claro que a descrição da membrana como um grande mar de lipídeos, onde todas as proteínas flutuam livremente, é extremamente simplificada. Muitas células confinam as proteínas de membrana em regiões específicas na bicamada lipídica contínua. As moléculas de bacteriorrodopsina da membrana púrpura da Halobacterium se organizam em grandes cristais bidimensionais nos quais as moléculas de proteínas individuais estão relativamente fixas umas às outras. Grandes agregados deste tipo difundem-se lentamente.
            Em células epiteliais, como aquelas que revestem o intestino ou os túbulos renais, determinadas enzimas e proteínas de transporte da membrana plasmática estão confinadas na superfície apical da célula, enquanto outras estão confinadas na superfície lateral e basal. Esta distribuição assimétrica das proteínas de membrana frequentemente é essencial para as funções do epitélio. A composição de lipídeos desses dois domínios de membrana também é diferente, demonstrando que as células epiteliais podem impedir a difusão dos lipídeos e de moléculas de proteína entre os domínios. Entretanto, experimentos com lipídeos marcados sugerem que somente as moléculas de lipídeos da monocamada externa da membrana estão confinadas desta forma. Acredita-se que as barreiras formadas por um tipo específico de junção intercelular (denominada junção ocludente) mantenham a separação das moléculas de proteína e de lipídeos. Claramente, as proteínas de membrana que formam estas junções intercelulares não podem se difundir lateralmente nas membranas que interagem.
            Uma célula pode também criar domínios de membrana sem usar as junções intercelulares. O espermatozoide de mamíferos, por exemplo, é uma única célula que consiste em diversas partes distintas funcional e estruturalmente, recobertas por uma membrana plasmática distinta. Quando um espermatozoide é examinado pro meio de microscopia de fluorescência com vários anticorpos, cada um reagindo com uma determinada molécula da superfície, observa-se que a membrana consiste em pelo menos três domínios distintos. Algumas das moléculas da membrana são capazes de se difundir livremente dentro dos limites do seu próprio domínio. A natureza molecular da “barreira” que impede que as moléculas deixem seus domínios não é conhecida. Várias outras células possuem barreiras similares na membrana que restringem a difusão das proteínas de membrana em determinados domínios da membrana. Por exemplo, a membrana plasmática das células nervosas contém um domínio que envolve o corpo celular e os dendritos e outro que envolve o axônio. Neste caso, acredita-se que um cinturão de filamentos de actina fortemente associados com a membrana plasmática na junção corpo celular do axônio forme parte da barreira.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

O citoesqueleto cortical proporciona força mecânica e restringe a difusão das proteínas de membrana

Uma maneira comum pela qual a célula restringe a mobilidade lateral de proteínas específicas de membrana é prendê-las a grupos de moléculas dos dois lados da membrana. Por exemplo, a forma bicôncava característica das células sanguíneas vermelhas (eritrócitos) é resultante das interações entre as proteínas da membrana plasmática com o citoesqueleto adjacente, o qual consiste, principalmente, em uma rede de proteína filamentosa, a espectrina. A espectrina é uma longa proteína fina em forma de bastão flexível com cerca de 100 nm de comprimento. Por ser o principal componente do citoesqueleto dos eritrócitos, ela mantém a integridade estrutural e a forma da membrana plasmática, a qual é a única membrana dessas células, pois não possuem núcleo ou organelas. O citoesqueleto de espectrina é rebitado na membrana através de várias proteínas de membrana. O resultado final é uma malha flexível em forma de rede que cobre toda a superfície citosólica da membrana do eritrócito. Este citoesqueleto composto basicamente por espectrina permite que os eritrócitos suportem a pressão sobre a sua membrana quando passam através de capilares muito finos. Camundongos e seres humanos com anormalidades genéticas na espectrina são anêmicos e possuem eritrócitos esféricos (ao invés de côncavos) e frágeis. A gravidade da anemia aumenta com o grau de deficiência de espectrina.
            Uma rede de citoesqueleto análoga, mas mais elaborada e complicada é encontrada abaixo da membrana plasmática da maioria das outras células do nosso organismo. Esta rede, que constitui a região cortical do citoplasma (córtex), é rica em filamentos de actina, contém proteínas que são estruturalmente análogas à espectrina e aos outros componentes do citoesqueleto dos eritrócitos.
            A rede de citoesqueleto cortical subjacente à membrana plasmática não restringe a difusão apenas das proteínas que estão diretamente ancoradas a ele. Devido ao fato de que os filamentos do citoesqueleto frequentemente estão justapostas na superfície citosólica da membrana, eles podem formar barreiras mecânicas que impedem a livre difusão das proteínas da membrana. Estas barreiras dividem a membrana em pequenos domínios ou currais, os quais podem ser permanentes, como nos espermatozoides, ou transitórios. As barreiras podem ser detectadas quando a difusão das proteínas individuais da membrana é seguida em alta velocidade e rastreada por partículas únicas. As proteínas difundem-se rapidamente, mas ficam confinadas em seus currais individuais. Entretanto, ocasionalmente, alterações térmicas fazem com que alguns filamentos corticais se desliguem transientemente da membrana, permitindo que a proteína escape para um curral adjacente.
            O grau de restrição da proteína transmembrana a um curral depende de sua associação com outras proteínas e do tamanho do seu domínio citoplasmático. Proteínas com grandes domínios citosólicos terão maior dificuldade de passar por essas barreiras. Por exemplo, quando o receptor de superfície celular se liga a sua molécula sinalizadora extracelular, ocorre a formação de grandes complexos de proteínas no domínio citosólico do receptor, fazendo com que fique mais difícil que o receptor escape de seu curral. Acredita-se que o confinamento auxilie na concentração de complexos de sinalização ativados, aumentando a velocidade e a eficácia do processo de sinalização.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Proteínas transportadoras e o transporte ativo de membrana

O processo pelo qual uma proteína transportadora transfere uma molécula de soluto através da bicamada lipídica assemelha-se a uma reação enzima-substrato, e, em muitos aspectos, os transportadores comportam-se como enzimas. Em contraste à simples reação enzima-substrato, no entanto, o soluto transportado não é covalentemente modificado pela proteína transportadora, mas é liberado inalterado no outro lado da membrana.
            Cada tipo de proteína transportadora tem um ou mais sítios de ligação específicos para seu soluto (substrato). Ela transfere o soluto através da bicamada lipídica por alterações conformacionais reversíveis que expõem alternadamente o sítio de ligação ao soluto, primeiro em um lado da membrana e, então, no outro.
            Quando o transportador está saturado (ou seja, quando todos os sítios de ligação ao soluto estão ocupados), a velocidade (ou taxa) de transporte é máxima. Essa taxa, referida como Vmáx, é característica do carreador específico e reflete a taxa na qual o carreador pode alternar entre seus dois estados conformacionais. Além disso, cada proteína transportadora tem uma afinidade característica por seu soluto, refletida no Km da reação, o qual é igual à concentração do soluto quando a taxa de transporte é metade do seu valor máximo. Como ocorre com as enzimas, a ligação do soluto pode ser bloqueada especificamente por inibidores competitivos (os quais competem pelo mesmo sítio de ligação, podendo ou não ser transportados) ou por inibidores não competitivos (os quais se ligam em qualquer outra parte e alteram especificamente a estrutura do transportador).
            É necessária somente uma modificação relativamente pequena para ligar uma proteína transportadora a uma fonte de energia para bombear um soluto “morro acima” contra seu gradiente eletroquímico. As células realizam tal transporte ativo de três maneiras principais:
1. Os transportadores acoplados acoplam o transporte de um soluto contra o gradiente, através da membrana, ao transporte a favor do gradiente de outro soluto.
2. As bombas acionadas por ATP acoplam o transporte contra o gradiente à hidrólise de ATP.
3. As bombas acionadas por luz, as quais são encontradas principalmente em bactérias e arquebactérias, acoplam o transporte contra o gradiente a uma aporte de energia da luz, como o mediado por bacteriorrodopsina.
            Comparações entre sequências de aminoácidos sugerem que, em muitos casos, existem fortes semelhanças na arquitetura molecular entre proteínas transportadoras que medeiam transporte ativo e aquelas que medeiam transporte passivo. Alguns transportadores bacterianos, por exemplo, que utilizam energia armazenada no gradiente de H+ através da membrana plasmática para sustentar a captação ativa de diversos açúcares, são estruturalmente semelhantes aos transportadores que medeiam o transporte passivo de glicose na maioria das células animais. Isso sugere uma relação evolutiva entre diferentes proteínas transportadoras. Dada a importância de pequenos metabólitos e açúcares como fonte de energia, não é surpreendente que a superfamília de transportadores seja antiga.
            As proteínas transportadoras que são movidas por íons desempenham um papel essencial no transporte de pequenos metabólitos através de membranas em todas as células. Há bombas acionadas por ATP, incluindo a bomba de Na+, encontrada na membrana plasmática de quase todas as células.
            Retomando a questão do transporte ativo de membrana, as proteínas transportadoras ligam solutos específicos e os transferem através da bicada lipídica sofrendo mudanças conformacionais que expõem o sítio de ligação a soluto sequencialmente em um lado da membrana e então em outro. Algumas proteínas transportadoras transportam um único soluto “morro abaixo”, enquanto outras podem atuar como bombas para transportar um soluto “morro acima” contra seu gradiente eletroquímico, utilizando energia fornecida pela hidrólise de ATP, por um fluxo a favor do gradiente de outro soluto (como Na+ ou H+), ou pela luz, para dirigir as séries necessárias de mudanças conformacionais de uma maneira ordenada. As proteínas transportadoras pertencem a um pequeno número de famílias. Cada família compreende proteínas de sequências similares de aminoácidos que provavelmente evoluíram a partir de uma proteína ancestral comum e operam por um mecanismo semelhante. Existem três classes de bombas acionadas por ATP, as bombas do tipo P, as bombas do tipo F e os transportadores ABC. A família de ATPases transportadoras do tipo P, que inclui a bomba de Ca2+ e a bomba de Na+-K+ é um exemplo importante; cada uma dessas ATPases sequencialmente fosforila e desfosforila a si própria durante o ciclo de bombeamento. A superfamília de transportadores ABC é a maior família de proteínas de transporte de membrana e apresenta grande importância clínica. Ela inclui proteínas que são responsáveis pela fibrose cística e pela resistência a fármacos em células cancerosas e em parasitas causadores da malária.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Transporte de Membrana

Devido ao seu interior hidrofóbico, a bicamada lipídica das membranas celulares serve como uma barreira à passagem da maioria das moléculas polares. Essa função de barreira permite que a célula mantenha concentrações de solutos no citosol que são diferentes daquelas no fluido extracelular e em cada um dos compartimentos intracelulares envoltos por membranas. No entanto, para fazer uso dessa barreira, as células tiveram que desenvolver meios para transferir moléculas hidrossolúveis específicas e íons através das suas membranas para ingerir nutrientes essenciais, excretar produtos metabólicos e regular concentrações intracelulares de íons. As células utilizam proteínas transmembrana especializadas para transportar íons inorgânicos e pequenas moléculas hidrossolúveis através da bicamada lipídica. As células também podem transferir macromoléculas ou mesmo grandes partículas através de suas membranas, mas os mecanismos envolvidos na maioria desses casos são diferentes daqueles utilizados para transferir pequenas moléculas. A importância do transporte de membrana está indicada pelo grande número de genes, em todos os organismos, que codificam para proteínas de transporte, as quais perfazem entre 15 e 30% das proteínas de membrana em todas as células. Algumas células especializadas de mamíferos dedicam até dois terços do seu consumo total de energia metabólica aos processos de transporte de membrana.
            Há duas principais classes de proteínas de membrana que medeiam a transferência: as proteínas transportadoras, as quais apresentam partes móveis para carregar moléculas específicas através da membrana, e as proteínas de canal, que formam um estreito poro hidrofílico, permitindo principalmente o movimento passivo de pequenos íons inorgânicos. As proteínas transportadoras podem estar acopladas a uma fonte de energia para catalisar o transporte ativo, e uma combinação de permeabilidade passiva seletiva e transporte ativo cria grandes diferenças na composição do citosol se comparada ao fluido extracelular ou ao fluido dentro de organelas envoltas por membranas. Por gerarem diferenças na concentração iônica através da bicamada lipídica, as membranas celulares podem armazenar energia potencial na forma de gradientes eletroquímicos, os quais são utilizados para acionar vários processos de transporte, para enviar sinais elétricos em células eletricamente excitáveis e (nas mitocôndrias, nos cloroplastos e nas bactérias) para produzir a maior parte do ATP celular.
            As bicamadas lipídicas são altamente impermeáveis à maioria das moléculas polares. Para transportar pequenas moléculas hidrossolúveis para o interior ou para o exterior das células, ou para os compartimentos intracelulares envoltos por membrana, as membranas celulares contêm várias proteínas de transporte, cada qual responsável pela transferência de um soluto ou de uma classe de solutos em particular através da membrana. Existem duas classes de proteínas de transporte de membrana – transportadoras e de canal. Ambas formam caminhos proteicos contínuos através da bicamada lipídica. Enquanto o transporte por transportadores pode ser ativo ou passivo, o fluxo de soluto pelas proteínas de canal é sempre passivo.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.


Canais iônicos e as propriedades elétricas das membranas

Os canais iônicos formam poros aquosos através da bicamada lipídica e permitem que os íons inorgânicos de tamanho e carga apropriados cruzem a membrana a favor de seus gradientes eletroquímicos, em taxas em torno de mil vezes maiores que aquelas atingidas por qualquer transportador conhecido. Os canais são “controlados” e em geral abrem temporariamente em resposta a uma perturbação específica na membrana, como uma mudança no potencial de membrana (canais controlados por voltagem) ou uma ligação de um neurotransmissor (canais controlados por transmissor).
            Os canais permeáveis seletivos de K+ apresentam um papel importante na determinação do potencial de repouso da membrana através da membrana plasmática, na maioria das células animais. Os canais catiônicos controlados por voltagem são responsáveis pela geração de potenciais de ação de autoamplificação em células eletricamente excitáveis, como as células neuronais e as células musculoesqueléticas. Os canais iônicos controlados por transmissor convertem sinais químicos em sinais elétricos nas sinapses químicas. Os neurotransmissores excitatórios, como a acetilcolina e o glutamato, abrem canais catiônicos controlados por transmissor e, portanto, despolarizam a membrana pós-sináptica rumo a um limiar, para disparar um potencial de ação. Os neurotransmissores inibitórios, como o GABA e a glicina, abrem canais de K+ ou Cl- controlados por transmissor e suprimem os pulsos mantendo a membrana pós-sináptica polarizada. Uma subclasse de canais iônicos controlados por glutamato, denominados canais receptores NMDA, é composta por membros fortemente permeáveis ao Ca2+, o qual pode acionar as mudanças de longo termo nas sinapses, como a LTP e a LTD, que aparentemente estão envolvidas em algumas formas de aprendizado e de memória.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

COMPARTIMENTOS INTRACELULARES

Diferentemente de uma bactéria, que geralmente consiste em um único compartimento intracelular envolto por uma membrana plasmática, uma célula eucariótica é subdividida de forma elaborada em compartimentos funcionalmente distintos envoltos por membranas. Cada compartimento, ou organela, contém seu próprio conjunto característico de enzimas e outras moléculas especializadas, e um sistema de distribuição complexo transporta produtos específicos de um compartimento a outro. Para entender a célula eucariótica é essencial conhecer como a célula cria e mantém esses compartimentos, o que ocorre em cada um deles e como as moléculas se movem entre eles.
            As proteínas conferem características estruturais e propriedades funcionais a cada compartimento. Elas catalisam as reações que ocorrem em cada organela e transportam seletivamente pequenas moléculas para dentro ou para fora de seu interior, ou lúmen. As proteínas também servem como marcadores de superfície organela-específicos que direcionam a entrega de novas proteínas e lipídeos em organelas apropriadas.
            Uma célula animal contém cerca de 10 bilhões (1010) de moléculas proteicas de aproximadamente 10 mil tipos, e a síntese de quase todas elas inicia-se no citosol. Cada proteína sintetizada novamente é então entregue especificamente ao compartimento celular que a necessite. Ao acompanhar o tráfego das proteínas de um compartimento a outro, podemos começar a entender o labirinto confuso de membranas intracelulares.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Todas as células eucarióticas têm o mesmo conjunto básico de organelas envoltas por membranas

Fotomicrografia evidenciando o núcleo e o nucléolo (Cortesia de Profa. Dra. Sônia Nair Báo – Lab. de Microscopia da UnB)


Muitos processos bioquímicos vitais ocorrem dentro das membranas ou em sua superfície. Enzimas aderidas à membrana, por exemplo, catalisam o metabolismo de lipídeos, e tanto a fosforilação oxidativa como a fotossíntese necessitam de uma membrana para acoplar o transporte de H+ para a síntese de ATP. Além de fornecer um aumento na área de membranas para abrigar reações bioquímicas, os sistemas de membranas intracelulares criam compartimentos fechados que são separados do citosol, provendo a célula de espaços aquosos funcionalmente especializados. Como a bicamada lipídica das membranas de organelas é impermeável a muitas moléculas hidrofílicas, a membrana de cada organela deve conter proteínas de transporte de membrana para a importação e a exportação de metabólitos específicos. Cada membrana de organela deve também ser dotada de um mecanismo para a importação e a incorporação, na organela, de proteínas específicas que a tornam única.
            O núcleo contém o genoma (além do DNA mitocondrial e de cloroplastos) e é o sítio principal de síntese de DNA e RNA. O citoplasma circundante consiste no citosol e nas organelas citoplasmáticas nele imersas. O citosol, que representa um pouco mais da metade do volume total da célula, é o sítio de síntese de degradação de proteínas. Ele também desempenha a maior parte do metabolismo intermediário da célula – isto é, as muitas reações pelas quais algumas pequenas moléculas são degradadas e outras são sintetizadas para fornecer os blocos de construção das macromoléculas.
            Cerca de metade da área total de membrana em uma célula eucariótica envolve os espaços labirínticos do retículo endoplasmático (RE). O RE rugoso tem muitos ribossomos aderidos a sua superfície citosólica; eles são encarregados da síntese de proteínas solúveis e integrais de membrana, a maioria das quais está destinada para secreção ao exterior da célula ou para outras organelas. Enquanto as proteínas são translocadas para outras organelas somente após completada sua síntese, elas são translocadas para o RE à medida que são sintetizadas. Esse fato explica por que o RE é a única organela que tem ribossomos nela aderidos. O RE também produz a maioria dos lipídeos para o restante da célula e funciona como reserva de íons Ca2+. Regiões do RE que não possuem ribossomos aderidos são chamadas de RE liso. O RE envia muitas de suas proteínas e lipídeos ao aparelho de Golgi, o qual consiste em pilhas organizadas de compartimentos discoides chamados cisternas de Golgi. O aparelho de Golgi recebe lipídeos e proteínas do RE e os envia para vários destinos, como frequência modificando-os covalentemente durante a via.
            As mitocôndrias e os cloroplastos (em plantas) geram a maior parte do ATP utilizado pelas células para dirigir as reações que necessitam de entrada de energia livre; os cloroplastos são uma versão especializada dos plastídeos, os quais também podem ter outras funções em células vegetais, como o armazenamento de alimento ou de moléculas de pigmentos. Os lisossomos contêm enzimas digestivas que degradam organelas intracelulares mortas, bem como macromoléculas e partículas englobadas do exterior da célula por endocitose. A caminho dos lisossomos, o material endocitado deve passar primeiramente por uma série de organelas chamadas de endossomos. Finalmente, os peroxissomos são pequenos compartimentos vesiculares que contêm enzimas utilizadas em várias reações oxidativas.
            Em geral, cada organela envolta por membrana realiza o mesmo conjunto de funções básicas em todos os tipos celulares. Contudo, para servir a funções especializadas nas células, estas organelas variam em abundância e podem ter propriedades adicionais que diferem de um tipo celular para outro.
            Em média, os compartimentos envoltos por membranas, juntos, ocupam quase metade do volume celular, e uma grande quantidade de membrana intracelular é necessária para compô-los. Em células do fígado e do pâncreas, por exemplo, o RE tem uma área total de superfície de membrana que é, respectivamente, 25 vezes e 12 vezes a da membrana plasmática. Em termos de sua área e de sua massa, a membrana plasmática constitui apenas uma pequena parte da maioria das células eucarióticas, e organelas são empacotadas de forma compacta no citosol.
            As organelas envoltas por membrana geralmente têm posições características no citosol. Na maioria das células, por exemplo, o aparelho de Golgi está localizado próximo ao núcleo, enquanto a rede de túbulos do RE estende-se do núcleo por todo o citosol. Essas distribuições características dependem das interações das organelas com o citoesqueleto. A localização de ambos, RE e aparelho de Golgi, por exemplo, depende do conjunto intacto de microtúbulos; se os microtúbulos forem despolimerizados experimentalmente com um fármaco, o aparelho de Golgi fragmenta-se e é disperso pela célula, e a rede de RE colapsa para o centro da célula.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

PEROXISSOMOS

Os peroxissomos diferem das mitocôndrias e dos cloroplastos em muitos aspectos. Mais notavelmente, eles são envolvidos por uma única membrana e não possuem DNA ou ribossomos. Por não serem dotados de genoma, todas as suas proteínas são codificadas no núcleo. Os peroxissomos obtêm muitas das suas proteínas por importação seletiva do citosol, embora algumas delas entrem na membrana dos peroxissomos por meio do RE.
            Todas as células eucarióticas possuem peroxissomos. Eles contêm enzimas oxidativas, como catalase e urato-oxidase, em concentrações tão elevadas que, em algumas células, os peroxissomos salientam-se em micrografias eletrônicas por causa da presença de um núcleo cristaloide.
            Assim como as mitocôndrias, os peroxissomos são os principais sítios de utilização de oxigênio. Uma hipótese é que os peroxissomos sejam um vestígio de uma organela ancestral que realizava todo o metabolismo de oxigênio nos ancestrais primitivos das células eucarióticas. Quando o oxigênio produzido por bactérias fotossintéticas começou a se acumular na atmosfera, ele pode ter sido fortemente tóxico à maioria das células. Os peroxissomos podem ter servido para reduzir a concentração de oxigênio intracelular, enquanto também utilizavam sua reatividade química para fazer reações oxidativas úteis. De acordo com esse ponto de vista, o desenvolvimento posterior das mitocôndrias tornou os peroxissomos bastante obsoletos, porque muitas das mesmas reações – as quais foram inicialmente conduzidas nos peroxissomos sem produção de energia – foram agora acopladas com a formação de ATP, por meio da fosforilação oxidativa. As reações oxidativas realizadas pelos peroxissomos nas células atuais seriam, portanto, aquelas cujas funções importantes não foram incorporadas pelas mitocôndrias.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO RUGOSO


Fotomicrografia evidenciando o retículo endoplasmático rugoso (Cortesia de Profa. Dra. Sônia Nair Báo – Lab. de Microscopia da UnB)

Todas as células eucarióticas possuem um retículo endoplasmático (RE). Sua membrana tipicamente constitui mais que a metade da membrana total de uma célula animal. O RE está organizado em um labirinto de túbulos ramificados e de vesículas achatadas que se estendem através do citosol. Os túbulos e as vesículas interconectam-se e suas membranas são contínuas com a membrana nuclear externa. Dessa forma, o RE e as membranas nucleares forma uma folha contínua envolvendo o espaço interno único, chamado de lúmen do RE ou espaço cisternal do RE, que geralmente ocupa mais de 10% do volume celular total.
            O RE tem um papel central na biossíntese de lipídeos e de proteínas, servindo também como fonte de armazenamento intracelular de Ca2+, que é usado em muitas células na sinalização de respostas. A membrana do RE é o sítio de produção de todas as proteínas transmembrana e lipídeos para a maioria das organelas celulares, incluindo o próprio RE, o aparelho de Golgi, os lisossomos, os endossomos, as vesículas secretoras e a membrana plasmática. A membrana do RE também produz a maioria dos lipídeos para membranas mitocondriais e peroxissomais. Além disso, quase todas as proteínas que serão secretadas para o exterior celular – acompanhadas daquelas destinadas ao lúmen do RE, ao aparelho de Golgi ou aos lisossomos – são destinadas inicialmente ao lúmen do RE.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

O retículo endoplasmático é estrutural e funcionalmente diverso

Fotomicrografia evidenciando o retículo endoplasmático liso (e algumas mitocôndrias) (Cortesia de Profa. Dra. Sônia Nair Báo – Lab. de Microscopia da UnB)


Enquanto as várias funções do RE são essenciais para cada célula, suas importâncias relativas variam muito entre tipos celulares individuais. Para encontrar demandas funcionais diferentes, regiões diferentes de RE tornam-se altamente especializadas. Observa-se tal especialização funcional como mudanças dramáticas na estrutura do RE, e diferentes tipos celulares podem, portanto, possuir caracteristicamente diversos tipos de membrana do RE. Uma das especializações mais notáveis é o RE rugoso.
            Células de mamíferos começam a importação de proteínas para o RE antes da síntese completa da cadeia polipeptídica – isto é, a importação é um processo cotraducional. Em contraste, a importação de proteínas nas mitocôndrias, nos cloroplastos, no núcleo e nos peroxissomos é um processo pós-traducional. No transporte cotraducional, o ribossomo que está sintetizando a proteína está diretamente aderido à membrana do RE, permitindo que uma ponta da proteína seja translocada para o RE enquanto o resto da cadeia polipeptídica está sendo montado. Esses ribossomos ligados à membrana cobrem a superfície do RE, criando regiões denominadas retículo endoplasmático rugoso, ou RE rugoso.
            As regiões do RE que não possuem os ribossomos aderidos à membrana são denominadas retículo endoplasmático liso, ou RE liso. A grande maioria das células possui regiões limitadas de RE liso, e o RE é com frequência parcialmente liso e parcialmente rugoso. Áreas de RE liso a partir das quais vesículas carregando proteínas recém-sintetizadas e lipídeos se desprendem para transporte até o aparelho de Golgi são chamadas de RE transicional. Elas são proeminentes, por exemplo, em células que se especializam no metabolismo de lipídeos, como células que sintetizam hormônios esteroides a partir do colesterol; o RE liso expandido acomoda as enzimas necessárias à síntese do colesterol e o modificam a fim de formar os hormônios.
            O principal tipo celular no fígado, o hepatócito, também possui um RE liso abundante. Ele é o principal sítio de produção de partículas de lipoproteína, que carregam lipídeos às outras partes do corpo via corrente sanguínea. As enzimas que sintetizam os componentes lipídicos das lipoproteínas estão localizadas na membrana do RE liso, a qual também contém enzimas que catalisam uma série de reações para destoxificar substâncias lipossolúveis e vários compostos danosos produzidos pelo metabolismo. As reações de destoxificação mais extensivamente estudadas são realizadas pela família de enzimas citocromo P450, que catalisam uma série de reações nas quais substâncias insolúveis em água, ou metabólitos que, de outra forma, poderiam ser acumulados em níveis tóxicos nas membranas celulares, são transformadas em solúveis em água o suficiente para deixarem a célula e serem excretadas na urina. Uma vez que o RE rugoso sozinho não pode conter quantidades suficientes dessas e de outras enzimas necessárias, uma grande porção de membrana em um hepatócito normalmente consiste em RE liso.
            Outra função crucial do RE na maioria das células eucarióticas é sequestrar Ca2+ do citosol. A liberação de Ca2+ do RE para o citosol e sua subsequente recaptação estão envolvidas em muitas respostas rápidas a sinais extracelulares. A bomba de Ca2+ transporta Ca2+ do citosol para o lúmen do RE. O armazenamento de Ca2+ no lúmen do RE é facilitado pelas altas concentrações de proteínas que se ligam a Ca2+ lá existentes. As células musculares possuem um abundante RE liso modificado, denominado retículo sarcoplasmático. A liberação e a recaptação de Ca2+ pelo retículo sarcoplasmático disparam uma contração e o relaxamento, respectivamente, das miofibrilas, durante cada movimento da contração muscular.
            Para estudar as funções e a bioquímica do RE, é necessário isolar sua membrana. Isso pode parecer uma tarefa inexequível, porque o RE é entremeado de forma intrincada com outros componentes do citosol. Felizmente, quando os tecidos ou as células são rompidos por homogeneização, o RE quebra-se em fragmentos e recompõe-se na forma de muitas pequenas vesículas (~100 a 200 nm de diâmetro) denominadas microssomos. Os microssomos são relativamente fáceis de purificar. Para os bioquímicos, os microssomos representam pequenas versões autênticas do RE, ainda capazes de translocação de proteínas, glicosilação proteica, captação e liberação de Ca2+, e síntese de lipídeos. Os microssomos derivados do RE rugoso são crivados de ribossomos e denominados microssomos rugosos. Os ribossomos são sempre encontrados na superfície externa, de tal forma que o interior do microssomo é bioquimicamente equivalente ao lúmen do RE.
            Muitas vesículas de tamanho similar ao dos microssomos rugosos, mas desprovidas de ribossomos aderidos, também são encontradas nesses homogenados. Tais microssomos lisos são derivados, em parte, de porções lisas do RE e, em parte, de fragmentos vesiculados da membrana plasmática, do aparelho de Golgi, dos endossomos e das mitocôndrias (a proporção dependendo do tecido). Assim, enquanto os microssomos rugosos são claramente derivados de porções rugosas do RE, a origem dos “microssomos lisos” não pode ser tão facilmente definida. Os microssomos preparados de células do fígado ou de células do músculo são uma exceção. Devido às grandes quantidades pouco comuns de RE liso ou retículo sarcoplasmático, respectivamente, muitos dos microssomos nos homogenados desses tecidos é derivada do RE liso. Os ribossomos aderidos à membrana tornam os microssomos rugosos mais densos que os microssomos lisos. Como resultado, os microssomos lisos e rugosos podem ser separados uns dos outros por centrifugação de equilíbrio. Microssomos têm sido inestimáveis na elucidação de aspectos moleculares da função do RE.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

APARELHO DE GOLGI

Fotomicrografia evidenciando o aparelho de Golgi (Cortesia de Profa. Dra. Sônia Nair Báo – Lab. de Microscopia da UnB)

O aparelho de Golgi (também chamado de complexo de Golgi) é um dos principais sítios de síntese de carboidratos, bem como uma estação de classificação e de destinação para produtos do RE. A célula produz muitos polissacarídeos no aparelho de Golgi, incluindo a pectina e a hemicelulose da parede celular de vegetais, e a maioria dos glicosaminoglicanos da matriz extracelular de animais. O aparelho de Golgi, porém, também se posiciona na saída da via que parte do RE, e uma grande proporção dos carboidratos que são aí produzidos é conectada como cadeias laterais de oligossacarídeos em muitas proteínas e lipídeos que o RE envia. Um subconjunto desses oligossacarídeos serve como rótulos para direcionar proteínas específicas a vesículas que, então, as transportam para os lisossomos. No entanto, uma vez que as proteínas e os lipídeos em sua maioria tenham adquirido os seus oligossacarídeos apropriados no aparelho de Golgi, são reconhecidos de outras maneiras para serem levados, pelas vesículas de transporte, aos seus diferentes destinos.


Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.

Fotomicrografia evidenciando o aparelho de Golgi (Cortesia de Profa. Dra. Sônia Nair Báo – Lab. de Microscopia da UnB)

A maioria das bicamadas lipídicas é montada no retículo endoplasmático

A membrana do RE sintetiza quase todas as principais classes de lipídeos, incluindo fosfolipídeos e colesterol necessários à produção de novas membranas celulares. O principal fosfolipídeo sintetizado é a fosfatidilcolina (também chamada de lecitina), que pode ser formada em três etapas a partir de colina, de dois ácidos graxos e de glicerol fosfato. Cada etapa é catalisada por enzimas na membrana do RE que têm seus sítios ativos voltados para o citosol, onde são encontrados todos os metabólitos necessários. Assim, a síntese de fosfolipídeos ocorre exclusivamente na lâmina citosólica da membrana do RE. Devido ao fato de os ácidos graxos não serem solúveis em água, eles são conduzidos dos seus sítios de síntese ao RE por proteínas de ligação a ácidos graxos no citosol. Depois de chegarem na membrana do RE e serem ativadas com coenzima A (CoA), acil-transferases adicionam dois ácidos graxos sucessivamente ao glicerol fosfato para produzir ácido fosfatídico. O ácido fosfatídico é suficientemente insolúvel em água para permanecer na bicamada lipídica, e não pode ser extraído dela por proteínas de ligação a ácidos graxos. Esse é então o primeiro passo para que a bicamada lipídica seja aumentada. As etapas posteriores determinam o grupo da cabeça de uma molécula de lipídeo recém-formada e, portanto, a natureza química da bicamada, mas não resultam em crescimento líquido da membrana. Os dois outros fosfolipídeos principais de membrana – fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina -, bem como o fosfolipídeo menor fosfatidilinositol (PI), são todos sintetizados dessa maneira.
            Pelo fato de a síntese lipídica ocorrer na metade citosólica da bicamada do RE, existe a necessidade de um mecanismo que transfira algumas das moléculas fosfolipídicas recém-formadas à lâmina do lúmen da bicamada. Nas bicamadas lipídicas sintéticas não existe um mecanismo de transferência de moléculas recém-sintetizadas para o lúmen. No RE, todavia, os fosfolipídeos equilibram-se através da membrana em minutos, o que é quase cem mil vezes mais rápido que o “flip-flop” (retorno) espontâneo. Esse movimento transbicamada rápido é mediado por um translocador de fosfolipídeos pobremente caracterizado, denominado embaralhador (scramblase) que equilibra fosfolipídeos entre as duas lâminas da bicamada lipídica. Assim, os diferentes tipos de fosfolipídeos parecem ser igualmente distribuídos entre as duas lâminas da membrana do RE.
            A membrana plasmática contém um tipo diferente de translocador fosfolipídico que pertence à família de transportadores de absorção do tipo P. Essas flipases removem especificamente fosfolipídeos contendo grupos amino livres (fosfatidilserina e fosfatidiletanolamina) da lâmina extracelular e utilizam a energia de hidrólise de ATP para movê-los direcionalmente à lâmina citosólica. A membrana plasmática, portanto, apresenta uma composição fosfolipídica altamente assimétrica, que é ativamente mantida por flipases. A membrana plasmática também contém um misturador, mas, em contraste com o misturador do RE, que é sempre ativo, a enzima da membrana plasmática é regulada e ativada apenas em algumas situações, como em apoptose e em plaquetas ativadas, onde age para cancelar a assimetria lipídica; a exposição resultante de fosfatidilserina na superfície de células apoptóticas serve como um sinal para células fagocíticas ingerirem e degradarem a célula morta.
            O RE também produz colesterol e ceramida. A ceramida é sintetizada pela condensação do aminoácido serina com um ácido graxo para formar o amino álcool esfingosina; um segundo ácido graxo é então adicionado para formar a ceramida. A ceramida é exportada ao aparelho de Golgi, onde serve como um precursor para a síntese de dois tipos de lipídeos: as cadeias oligossacarídicas são adicionadas para formar glicoesfingolipídeos (glicolipídeos), e os grupos da cabeça de fosfocolina são transferidos da fosfatidilcolina a outras moléculas de ceramida para formar esfingomielina. Assim, ambos, glicolipídeos e esfingomielina, são produzidos tardiamente no processo de síntese de membrana. Pelo fato de que são produzidos por enzimas expostas ao lúmen do Golgi e não são substratos para transportadores de lipídeos, são encontrados exclusivamente na lâmina não-citosólica da bicamada lipídica que os contém.
            A membrana plasmática e as membranas do aparelho de Golgi, os lisossomos e os endossomos fazem parte de um sistema de membranas que se comunica com o RE por meio do transporte de vesículas que transferem proteínas e lipídeos. As mitocôndrias e plastídeos, todavia, não pertencem a esse sistema e requerem, portanto, mecanismos diferentes para a importação de proteínas e de lipídeos para o crescimento. A maioria das proteínas nessas organelas é importada do citosol. Embora as mitocôndrias modifiquem alguns dos lipídeos que importam, não sintetizam lipídeos de novo; antes, seus lipídeos devem ser importados do RE, ainda que direta ou indiretamente, por meio de outras membranas celulares. Em ambos os casos, são necessários mecanismos especiais para a transferência. Os detalhes de como a distribuição dos lipídeos entre diferentes membranas é catalisada e regulada não são conhecidos. Proteínas carreadoras solúveis em água chamadas de proteínas de troca de fosfolipídeos (ou proteínas de transferência de fosfolipídeos) transferem moléculas individuais de fosfolipídeos entre as membranas, funcionando como proteínas de ligação a ácidos graxos que guiam ácidos graxos através do citosol. Além disso, mitocôndrias frequentemente são vistas em justaposição com as membranas do RE, em micrografias eletrônicas, e podem existir mecanismos específicos de transferência de lipídeos que operam entre membranas adjacentes.

Fonte: ALBERTS, B. Biologia molecular da célula. 5. ed. Porto Alegre: Artmed, 2010.