Adesão celular e junções celulares

• Estes são os apontamentos de estudo detalhados para o texto que forneceste:

Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa - Biologia Celular (2010-2011)

• O documento apresenta notas de estudo para a disciplina de Biologia Celular da Faculdade de Farmácia da Universidade de Lisboa, referentes ao ano 2010-2011.
• As notas foram compiladas com base em aulas teóricas e em fontes bibliográficas como "The Cell, Biologia Celular e Molecular, Molecular Cell Biology".
• O autor das notas é Pedro Jogo.

Aula 1: Fundamentos da Biologia Celular

• O plano de estudo inclui uma panorâmica geral das células, desde procariotas até eucariotas.

• A primeira célula surgiu há 3.8 bilhões de anos, 750 milhões de anos após a formação da Terra.

• O RNA surgiu com a capacidade de auto-replicação, evoluindo posteriormente para relações entre aminoácidos e RNA.

• O RNA foi subsequentemente substituído por DNA.

• Acredita-se que a primeira célula consistia em RNA isolado do meio externo por uma membrana fosfolipídica.

• A evolução levou à formação de células procarióticas, e mais tarde eucarióticas.

• Eucariotos provavelmente surgiram através de endossimbiose entre células e bactérias.

• Mitocôndrias e cloroplastos tem DNA próprio, tamanho semelhante a bactérias e se dividem por cissiparidade, sintonizada com a replicação do DNA mitótico.

• Características Comparativas entre Procariotas e Eucariotas:

  • Núcleo: Ausente em procariotas, presente em eucariotas.
  • Diâmetro: Procariotas ≈ 1 μm, eucariotas 10 – 100 μm.
  • Citoesqueleto: Ausente em procariotas, presente em eucariotas.
  • Organelos citoplasmáticos: Ausentes em procariotos, presentes em eucariotos.
  • Número de pares de bases do DNA: Procariotas 1 x 10^6 a 5 x 10^6, eucariotas 1.5 x 10^7 a 5 x 10^9.
  • Cromossomas: Molécula de DNA circular em procariotos, múltiplas moléculas de DNA lineares em eucariotas.

Noção de Tamanho e Superfície em Sistemas Biológicos

• Discute a relação superfície-volume em células, onde uma melhor relação é necessária para sobrevivência e competitividade.

Compartimentação: Os Organitos

• Células animais e vegetais compartilham membrana plasmática, núcleo, citoesqueleto e organelos citoplasmáticos.
• Células vegetais possuem parede celular e grandes vacuolos.

Sistema Endomembranar

• O sistema endomembranar compreende todas as membranas celulares e ajuda a compartimentar o citoplasma.
• O sistema inclui membrana nuclear, membrana citoplasmática, retículo endoplasmático, complexo de Golgi, lisossomas e vacúolos.

Ferramentas da Biologia Celular: Microscopia Fotónica

• Vulgar: A luz passa pela célula, e a distinção das partes depende do contraste resultante da absorção dos componentes da célula.
• Confocal: Imagem filtrada numa microscopia de fluorescência com sobreposição de cores, aumentando a nitidez.
• DIC: Evidencia o contorno de grandes organelos baseado nos índices de refracção.
• TIRF: Mostra interações moleculares na membrana celular baseado no índice de refracção e ângulo crítico da luz.
• FCS: Um feixe de laser é refletido/variando em intensidade, e a radiação das partículas fluorescentes é detectada em função do tempo.
• LSM: Obtem imagens em profundidades específicas por feixes de laser focados, construindo a imagem com um detector.
• FRET: Permite obter imagens de localização de proteínas com resolução espacial além dos limites convencionais.
• FRAP: Quantifica a difusão lateral de moléculas marcadas fluorescentemente em células isoladas.
• FLIM: Uma técnica de imagiologia para produzir imagens baseadas nas diferenças de decaimento na fluorescência.
• PFM: Luz dispersa e alterada pela amostra é recebida por uma lente e projetada num QPD, permitindo localizar refracções tridimensionalmente.

Microscopia Eletrónica (Resolução cem vezes melhor que a fotónica)

• TEM: Usa um feixe de elétrons transmitido por uma amostra ultrafina, ampliando a interação/focalizando num dispositivo de imagem.
• SEM: Permite obter uma imagem tridimensional, interpretada com base na energia dos elétrons.
• cryoEM: Permite ver amostras sem fixação, preservadas em nitrogênio líquido a baixas temperaturas, gerando afastamento da membrana.

Técnicas Adicionais

• Fracionamento subcelular: Isolamento de organelos de células eucariotas através de sedimentos de centrifugação diferenciada. Culturas de células são usadas para cultivar fibroblastos e células HeLa.
• Virose: colocar fragmentos de DNA ou RNA em células.
• Microinjeção: Injeta uma agulha fina (0.5 a 5 micrômetros de diâmetro) através da membrana celular.
• Engenharia genética: aumento da expressão de um gene num organismo para aumentar a utilidade.

Células como Modelos Experimentais

• E. coli e outras bactérias:
  • Utilizadas para o estudo da bioquímica e biologia molecular.
  • O crescimento é controlado em condições laboratoriais.
  • Crescimento rápido.
• Leveduras:
  • Estudo da biologia de células eucarióticas.
  • Crescimento rápido.
  • A informação pode ser aplicada a células eucarióticas.
• Dictyostelium discoideum:
  • Eucariota primitiva.
  • Curto ciclo de vida.
  • Passa de amibas unicelulares para um conjunto multicelular e corpo frutificante.
• Caerhabditis elegans (nematóide/verme):
  • Simplicidade e fácil reprodução em laboratório.
  • Útil para estudar processos multicelulares.
• Drosophila melanogaster:
  • Mosca-da-fruta.
  • Importante em engenharia genética.
  • Facilidade de manutenção em laboratório e curto ciclo de vida.
• Arabidopsis thaliana:
  • Utilizada no estudo do desenvolvimento de plantas.
  • Facilidade de reprodução em laboratório e pequena complexidade.
• Vertebrados:
  • Estudo da complexidade e da relação com o organismo humano.
• Xenopus laevis:
  • Rã com ovos grandes (1 mm cada).
  • Fases de desenvolvimento acompanhadas externamente à mãe.
  • Grande número de ovos facilita estudos a nível de mecanismos moleculares.
• Zebrafish:
  • Peixe que se mantém e reproduz facilmente em laboratório.
  • Embrião transparente observado.
  • Conectar invertebrados simples e humanos.
• Medakafish:
  • Peixe transgénico que tem gestação curta e é altamente reprodutivo.
• Ovos de galinha:
  • O desenvolvimento embrionário da galinha e do homem têm muitas semelhanças.
  • O desenvolvimento se dá externamente.
• Ratos transgénicos:
  • Recolha e introdução de genes específicos (ex: orelha) num rato.
  • Produção de órgão semelhante ao ser original.

Aula 2: Membranas Biológicas

• Uma célula viva e o seu mecanismo de auto replicaçao estão delimitados pela membrana celular, uma fina camada de lípidos que separam os constituintes químicos do ambiente externo.
• A ausência de membranas impede que a célula exista . a capacidade célula para separar químicos do meio que a rodeia.
• A estrutura da membrana celular é baseada numa dupla camada de lípidos com 5 nm de espessura.
• As propiedades da membrana celular incluem a função de barreira e a troca de nutrientes os produtos de excreção do meio extracelular.
• Canais e bombas altamente selectivos permitem a entrada e saída de substâncias, além de moléculas proteicas que atuam como sensores em resposta a alterações do meio ambiente.
• A membranas responde mecanicamente a propriedades alterações no meio. Vedação rápida em caso de perfuração.
• A bactéria mais simples tem uma membrana (plasmática), enquanto as células eucarióticas incluem uma profusão de membranas que delimitam os compartimentos .
• Os compartimentos são construídos pelo mesmo principio da membrana plasmática, servindo também de barreiras selectivas.
• As membranas internas mantêm as diferentes características de composição e função dos vários organelos.
• As membranas internas têm diferenças subtis, especialmente a nível das proteínas constituintes.

Breve história dos estudos da estrutura da membrana plasmática

• 1920s: Gorter e Grendel descobriram que os lípidos em membranas biológicas organizam-se em bicamada, com a quantidade de lípidos igual ao dobro da dimensão superficial da mesma.
• 1940s: Davson e Danielli adicionaram uma camada de proteínas em ambos os lados para reforçar a interpretação de Gorter e Grendel.
• 1960s: A difracção de raios X e microscopia electrónica de transmissão mostraram que os lípidos mais abundantes são os fosfolípidos, seguidos pelo colesterol e os glicolípidos.
• Nicolson e Singer postularam o modelo do mosaico fluido em 1972, com um mosaico de moléculas proteicas colocado numa camada fluida de lípidos.

Estrutura da Membrana

• A organização estrutural é comum à maior parte das células, com uma bicamada lipídica antipática com proteínas associadas.
• As proteínas são estáveis termodinamicamente, realizando funções especializadas e atravessando ou associando-se apenas a um folheto.

Constituição da Membrana: Lípidos

• Os lípidos constituem cerca de 50% da massa da maior parte das membranas biológicas.
• Membranas plasmáticas: 50% lípidos, 50% proteínas.
• Membranas mitocondriais: 25% lípidos, 75% proteínas, refletindo a abundância de complexos proteicos envolvidos no transporte de elétrons e fosforilação oxidativa.
• Os fosfolípidos (mais abundantes) combinam propriedades hidrofílicas da cabeça (grupo fosfato) e hidrofóbicas das caudas (ácido gordo).
• Propriedade importante é o fluido bidimensional, permitindo rotação e movimentação lateral, além de movimento flip-flop (raramente).
• Em soluções aquosas, os fosfolípidos formam espontaneamente bicamadas, associadas à formação de lipossomas e não micelas.

Tipos de Fosfolípidos

• Glicerofosfolípidos:
  • Fosfatidilcolina: Não apresenta carga a pH fisiológico.
  • Fosfatidiletanolamina: Não apresenta carga a pH fisiológico.
  • Fosfatidilinositol: Menor quantidade, apresenta carga negativa e é importante nos "rafts".
  • Fosfatidilserina: Apresenta carga negativa.
• Esfingomielina:
  • Não apresenta carga a pH fisiológico.

Colesterol

• O colesterol insere-se na bicamada com o seu grupo hidroxilo polar perto das cabeças hidrofilicas dos fosfolípidos.
• A interação dos anéis de hidrocarbonados do colesterol com as regiões das cadeias de ácidos gordos dos fosfolípidos adjacentes aumenta a rigidez.
• Desempenha um papel importante nos “rafts” de membrana.
• O aumento da rigidez diminui a permeabilidade e aumenta a tolerância a baixas temperaturas.
• As membranas procarióticas não têm colesterol.

Glicolípidos

• Os glicolípidos (glicose, galactose, manose, fucose e ácido siálico) encontram-se apenas no folheto exoplasmático das células eucarióticas.
• Não podem fazer movimento flip-flop, atuando como receptores específicos ou efeito protetor.
• Pode ligar-se a componentes de natureza intercelular e assumir importância nos “rafts”.

Rafts de Membrana

• Agregados de esfingolípidos, glicolípidos e colesterol movem-se lateralmente, formando domínios sem funções na movimentação das células.
• Atuam como um importante na sinalização celular.

Proteínas da Membrana

• Proteínas constituem 25% a 75% da massa de várias membranas celulares.
• Desempenham número funções como canais de passagem, transporte ativo, receptores.
• Possuem rotação e difusão lateral, mas não flip-flop.
• As proteínas integrais têm grande dificultade de separação
• As proteínas ligadas sao lípidos têm ligação covalente mais forte
• proteínas periféricas: ligação não covalente e fraca, separando-se e mantendo-se a integridade.

Funções das Proteínas

• Incluem transportadores, receptores, enzimas, ligação ao citoesqueleto e interação celular.

Propriedades da Bicamada

• Fluidez: É o movimento lateral que os fosfolípidos e as proteínas tem ao longo do plano de cada folheto, condicionado pelo arranjo geométrico das extremidades hidrofóbicas.
• Aumento da temperatura aumenta a consistência fluida.
• Assimetria: Diferença de composição molecular entre as camadas, onde os glicolípidos estão somente no folheto exoplasmático.
• Impermeabilidade: A bicamada tem uma permeabilidade selectiva para gases, moléculas hidrofóbicas, moléculas polares pequenas e grandes e moléculas carregadas.

Técnica de Criofractura

• Congelamento rápido de uma célula ou tecido fraturado em regiões de ligações fracas.
• Separa a bicamada em duas monocamadas (P e E) para produzir moldes com metal pesado.
• Examina-se os moldes ao microscópio eletrónico para revelar saliências correspondestes às proteínas.
• Integrais atravessam o plano hidrofóbico observadas nas faces de fratura.
• Integrais contém segmentos que se organizam alfa hélices/ou cadeias polipeptidicas/beta barril.
• Integrais são de purificação difícil sendo que só o isolamento da proteína é atingido com detergente.
• Separando as extremidades não polares, forma micelas.
• periféricas não atravessam o plano hidrofóbico e são observadas nas superfícies de membranas.

Movimento das Proteínas

• Demonstra a estrutura dinâmica das membranas celulares através da difusão lateral, com o modelo mosaico fluido apresentado por Singer e Nicolson em 1972.
• A fusão de células é uma das formas de comprovar o modelo.

Domínios

• As células têm meios de confinar proteínas da membrana plasmática a locais específicos, criando domínios membranares.
• Células epiteliais têm uma membrana plasmática apical, lateral e basal.
• Os rafts de membrana têm composição e função diferentes de outras partes da membrana.

Funções Diversas da Membrana (Devido à Existência de Domínios)

• Isolamento, compartimentação, transporte, reações enzimáticas, ancoragem ao citoesqueleto, reconhecimento celular, motilidade.

Aula 3: Transporte Através de Membranas Celulares

Introdução

• As células precisam transportar matéria-prima para dentro e produtos de excreção para fora, mantendo a homeostasia.
• Compreender o transporte de matérias-primas e excreção ajuda a entender o funcionamento celular.

Tipos de Transporte

• Passivo:
  • Difusão Simples: Moléculas pequenas e sem carga.
  • Difusão Facilitada ("carrier proteins"): Moléculas grandes e polares, íons.
  • Canais iónicos: Moléculas grandes e polares, íons.
• Ativo:
  • Bombas iónicas
  • Simporte e antiporte

Passivo

• Sem consumo de energia, a favor do gradiente de concentração (ou eletroquímico).

Difusão Simples

• Através da membrana sem proteínas transportadoras, sem especificidade.

Difusão Facilitada

• Ligam-se seletivamente a moléculas específicas e transportam.
• Actuam com enzimas para passagem através de membranas.
• Sofrem mudanças conformativas.

Channel proteins

• Permitem a passagem selectiva de iões inorgânicos.
• Abrir/fechar em resposta a sinais extracelulares (voltagem e ligação de ligante).

Seletividade dos Canais de Na⁺ e K⁺

• Canais de Na⁺ são dez vezes + permeáveis ao Na⁺ do que ao K⁺ devido a um canal estreito.
• Canais de K⁺ são mil vezes mais permeáveis ao K⁺ devido a um filtro selectivo com grupos carbonilo.

Técnica Patch-Clamp

• Mede a atividade de canais iónicos.
• Isola uma parte da membrana com um micropipeta.

Gradientes iónicos e potenciais de membrana

• O fluxo de iões obedece ao gradiente eletroquímico (concentração e potencial).

Equação de Nernst

• Demonstra quantitativamente a relação entre concentração de iões e o potencial da membrana.
• Nas clélulas em repouso existe um potencial de membrana, impulsionado por bombas de iões que utilizam ATP para contrariar o gradiente.

Canais iónicos e células nervosas

• A condução do impulso nervoso é um exemplo de transporte de iões através da membrana.

Ação

• Os potenciais de ação são mediados por canais de Na⁺ ativados por voltagem de sinais eléctricos nos axónios
• Canais seletivos de sódio e de potássio causam alternação da entrada (despolarização) e saida (repolarização) dos iões, criando corrente.
• As celulas musculares liberam neurotransmissores pelas células pré-sinápticas onde se ligam a receptores pós-sinápticos ativando poros.
• A acetilcolina abre o canal iónico que permite um rápido influxo de Na, altera o potencial ao ativar canais voltagem de Ca, sinalizando contração.

Transporte Ativo

• Move solutos contra o gradiente eletroquímico com energia (ATP).
• Exemplos: Bombas iónicas, simporte e antiporte.

Bombas iónicas

• Contrariam a direcção, usando energia do ATP.

Bomba iônica de Na+/K+

• Consome proporções de moléculas para gerar as concentrações de iões.

Equilíbrio Osmótico

• A bomba de Na+/K+ mantém o equilíbrio osmótico e o volume da célula.

Simporte e Antiporte

• Simporte: São transportadas diferentes moléculas na mesma direção(glicose, ião sódio/Intestino).
• Antiporte: Transição de substâncias diferentes em direções iões Ca2+ / Na⁺ nas células cardíacas opostas.

Transporte Através dos Epitélios

• É importante salientar que estes dois são aqueles que nos permitem o transporte de nutrientes e manter a homeostasia.

Aula 4: Citoesqueleto – Microtúbulos e Filamentos Intermédios

• O citoesqueleto é constituído por filamentos proteicos (microfilamentos, filamentos intermédios e microtúbulos) que suportam a célula, organizam o citoplasma.

Microtúbulos

• Estruturas cilindricas rigidas centro oco de proteina globular(tubulina) ligados a alfa tubulina que formam parede de 13 protofilamentos com
• Os microtubulos sao polarizados com extremidades que permitem crescimento e um encurtamento.
• Polimerização e Despolimerização destes microtubulos são mantidos no equilibrio dinâmico.
• Visitar: http://www.sinauer.com/cooper5e/animation1203.html.
• Determinantes do movimento ao longo dos microtubulos, demonstrando instablilidade.

Interações dos Microtúbulos

• Têm a função de aumentar a formação, favorecendo a relação relação dissociação.
• Os microtubulos organizam-se apartir da organização intracelular.
• Nos animais propaga-se atraves do Centrossomo.s extremidades são negativas aos microtubulos.

O Centrossomo

• Tem um papel determinante é a centra de iniciação da formação dos microtubulos orientados perpendicularmente.
• A importancia do centrossoma deve-se a um polipeptido chamado y-tubulina e tb centrilotos a circundar material pericentriolar.
• É responsável por uma variedade grande numa celula, por grande numero de proteinas.

Cinesinas e Dineías

• É dependnte de grandes familias, deslocando ao longos dos microtubulos dos centrossomas para a periferia sendo o movimento realizado pelas fibras de stress.
• Visitar: http://www.sinauer.com/cooper5e/animation1204.html.
• Os cílios e flagelos são projecções plasmasticas constituido por microtúbulos.
• Os cilios e flagelos são semelhantes a nível de diâmetro mas são diferentes, com diâmentro longo nos flagelos enquanto que os cílios são curtos
• E o principal de ambos tem uma estrutura conhecida como axonema.

Capacidade Dinamica

• A capacidade dos microtúbulos verifica-se ao nível mitose desfazendo-se e atransformando-se.
• O fuso mitótico é formado por 3 tipos de microtubulos
  • cinetocoros que aderem que ajudam a separarm os microtubulos.
  • polares que ajundam ao centrossoma a membrana
  • as tais parte do centrossoma de uma célula.

Filamentos Intermédios

• Constituintes do citoesqueleto do diâmetro entra os filamentos intermédios .
• Estão presentes para a maioria dos microtubulos sendo solúveis.
• Tem uma rede que abrange o todo os materiais e pode acorrer em pequenos filetos. Tem filamentos que se relacionam tanto com a resistência mecanicas da células plasmáticas.

Este texto aborda as moléculas de adesão celular que permitem a associação de células em tecidos e a troca de informações entre os meios intra e extracelular. Caderinas, selectinas, junções comunicantes e outros componentes são discutidos. Os fatores que influenciam a função das junções comunicantes, como as concentrações de cálcio e o pH intracelular, também serão abordados.