Fisiologia Celular e Molecular - Aula Teórica #6 PDF

Fisiologia Celular e Molecular Aula Teórica #6 Licenciatura em Ciências Biomédicas e da Saúde Ano Lectivo 2024-2025 - A osmolaridade de uma solução não pode ser usada para determinar a tonicidade da solução. - A concentração relativa de solutos não...

Fisiologia Celular e Molecular Aula Teórica #6 Licenciatura em Ciências Biomédicas e da Saúde Ano Lectivo 2024-2025 - A osmolaridade de uma solução não pode ser usada para determinar a tonicidade da solução. - A concentração relativa de solutos não penetrantes na célula e na solução determinam a tonicidade. - Os solutos penetrantes contribuem para a osmolaridade de uma solução, mas não para a sua tonicidade. O Transporte Ativo move a molécula contra o seu gradiente de concentração e, por isso, necessita de uma fonte externa de energia. - No transporte ativo primário (direto), a energia vem do ATP (daí as “bombas” serem chamadas ATPases). - O transporte ativo secundário (indireto) utiliza a energia potencial gerada pelo gradiente de concentração. Utiliza a energia cinética de uma molécula que se move a favor do seu gradiente de concentração para empurrar outras moléculas contra os seus gradientes de concentração. As moléculas co-transportadas podem ir na mesma direção através da membrana (simporte) ou em direções opostas (antiporte). Os sistemas de transporte ativo secundário mais comuns são impulsionados pelo gradiente de concentração do sódio. Transporte Ativo: Na+-K+-ATPase TRANSPORTE VESICULAR As proteínas-canal ou transportadores não possuem capacidade de transporte de macromoléculas de grande peso molecular. O seu movimento para o interior ou para o exterior das células faz- se com o auxílio de vesículas. Os movimentos para dentro da célula fazem-se por meio de vesículas criadas a partir da membrana podendo ser Fagocitose ou Endocitose. Diferenças: i) na endocitose, a superfície da membrana retrai-se em vez de se projetar para fora como na fagocitose; ii) a vesícula formada pela endocitose é muito menor; iii) algumas endocitoses são constitutivas, i.e., são uma função essencial de Digerida construção membranar que ocorre continuamente. Os materiais deixam a célula por Exocitose - processo similar à endocitose, mas que ocorre na direção contrária. A endocitose é um processo ativo que requer energia (ATP). - Não seletiva, permite que líquido extracelular entre na célula - pinocitose; - Altamente seletiva, permite apenas que moléculas específicas entrem na célula. Quando mediada por receptor, um ligando específico liga-se a um receptor de membrana - uma proteína - para ativar o processo. A membrana removida por endocitose, conjuntamente com os receptores, retorna à membrana por exocitose. Compartimentos intracelulares Compartimentos intracelulares O citoplasma consiste: - i) citosol semi-gelatinoso com nutrientes, iões e produtos residuais dissolvidos. - ii) Fibras e inclusões (não possuem membrana): - Ribossomas - inclusões (RNAr) que participam da síntese de proteínas. - Fibras de proteínas (insolúveis) - fibras de actina (ou microfilamentos), filamentos intermediários e microtúbulos. Microtúbulos: Cílios - movem líquido ou secreções na superfície da célula. Flagelos - propelem células (e.g., espermatozóides) através de líquidos corporais. Centríolos - movimento dos cromossomas durante a divisão celular. - Citoesqueleto mutável – confere resistência, sustentação e organização interna; auxílio no transporte de materiais dentro da célula; junção e mobilidade de células. - Proteínas motoras, e.g., miosinas, cinesinas e dineínas, associam-se com fibras do citoesqueleto para gerar movimento. iii) Organelos - envoltos por membrana (realizam funções específicas). - Mitocôndrias. - Retículo endoplasmático liso (REL). - Retículo endoplasmático rugoso (RER). - Aparelho de Golgi (AG). - Lisossomas e os peroxissomas. - Núcleo. Vesículas secretoras provenientes do AG libertam o conteúdo no líquido extracelular. Os nucléolos controlam a síntese de RNA para os ribossomas. Contém DNA sob a forma de cromatina. A síntese proteica é um exemplo de como a célula separa funções, isolando-as em compartimentos. Junções celulares As junções celulares ligam uma célula à outra (ou à matriz circundante) por proteínas transmembranares, chamadas moléculas de adesão celular (CAMs). As junções celulares podem ser agrupadas em três categorias: (b) junções comunicantes - permitem a comunicação direta célula à célula, (c) junções oclusivas - bloqueiam o movimento de material entre células; (d) junções de ancoragem - mantêm as células unidas umas às outras e à matriz O músculo cardíaco tem junções comunicantes que permitem que sinais químicos e extracelular. elétricos passem rapidamente de uma célula à outra. Tecido epitelial Tecido Conjuntivo Tecido Conjuntivo laxo Resumo dos tecidos constitutivos do organismo Serão descritos em pormenor mais à frente Na base do Controlo da Homeostasia encontra-se: - A existência de “blocos de construção” básicos na célula (nucleótidos, aminoácidos, monossacarídeos, ácidos gordos) que permitem, na célula: - o estabelecimento da estrutura, função e balanço energético; - o estabelecimento de mecanismos basilares (metabolismo, proliferação e funcionamento); - o estabelecimento de mecanismos complexos (replicação, proliferação, transdução de sinal) quando organizados em estruturas de maior organização (polissacarídeos, lípidos, proteínas, DNA, RNA); - Capacidade de controlo da entrada e saída de moléculas da célula (Bicamada fosfolipídica, proteínas transportadoras) – Difusão, Osmose e Tonicidade → Potenciais de membrana; - Organização de células com funções similares em tecidos; - Compartimentalização (organismo, sistemas de órgãos, órgãos, tecidos, células, interior das células). METABOLISMO (energético) Todas as reações químicas no organismo são colectivamente chamadas metabolismo, sendo de dois tipos: - Reações catabólicas - libertam energia e degradam biomoléculas. - Reações anabólicas - requerem gasto de energia e sintetizam biomoléculas. As células regulam o fluxo de moléculas nas suas vias metabólicas por meio de: (1) controlo da concentração de enzimas; (2) produção de moduladores alostéricos e covalentes; (3) uso de diferentes enzimas para catalisar reacções reversíveis; (4) isolamento das enzimas em organelos intracelulares; (5) manutenção de uma proporção ideal entre ATP e ADP. As vias aeróbias requerem oxigénio e produzem a maior parte do ATP. As vias anaeróbias ocorrem sem a presença de oxigénio, mas produzem ATP em muito menores quantidades. PRODUÇÃO DE ATP - GLICÓLISE Uma molécula de glicose converte-se em dois piruvatos. O rendimento final é de 2 ATP, 2 NADH e 2 H+. A glicólise não requer a presença de oxigénio sendo assim a via comum para os catabolismos aeróbio e anaeróbio da glicose (a molécula comum a estes dois mecanismos é o piruvato). CICLO DO ÁCIDO CÍTRICO Se uma célula dispõe de oxigénio, cada piruvato (3C) formado durante a glicólise reage com a O Metabolismo coenzima A (CoA) aeróbio do dando 1 molécula de piruvato pelo acetil-CoA e 1 CO2. ciclo do ácido cítrico gera ATP, A unidade acil (2C) da CO2 e electrões acetil-CoA entra de alta energia no ciclo do ácido cítrico, reagindo com outro armazenados piruvato. nas coenzimas NAD e FADH sob O ciclo do ácido cítrico a forma de NADH gera uma rota circular, e FADH2, adicionando carbonos respectivamente. de uma acetil-CoA em cada volta do ciclo. SISTEMA DE TRANSPORTE DE ELECTRÕES A transferência de energia dos electrões do NADH e FADH2 para a formação do ATP requer proteínas chamadas sistema de transporte de electrões (STE), localizadas na membrana mitocondrial interna e incluem enzimas e citocromos com ferro. A síntese de ATP usando o STE chama-se FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA, uma vez que o sistema requer oxigénio para agir como o aceptor final de electrões e H+. A energia potencial armazenada pela concentração de iões H+ no espaço intermembranar é utilizada para construir a ligação do ATP. O rendimento máximo de energia para o metabolismo aeróbio de uma molécula de glicose é de 30 a 32 ATP. Rendimento energético do catabolismo de uma molécula de glicose No metabolismo anaeróbio, o piruvato converte-se em lactato, gerando 2 ATP por molécula de glicose. No metabolismo aeróbio, o ciclo do ácido cítrico integra o grupo acil do piruvato (2x), produz eletrões de alta energia (FADH2 e NADH), transfere-os para o STE e produz 30 a 32 ATP por molécula de glicose. SÍNTESE PROTEICA Ocorre a partir dos genes existentes no DNA. O código representado por uma sequência de bases no gene é transcrito num código de bases complementares no RNA mensageiro (mRNA). A junção alternativa do mRNA no núcleo permite que um gene codifique múltiplas proteínas. Transcrição Um gene é um segmento de DNA que pode produzir um pedaço de RNA funcional, que, por sua vez pode ser convertido em proteína. O emparelhamento de bases é o mesmo que ocorre na síntese de DNA, exceto pelo fato de uma base- uracilo (U)- substituir a timina (T). Processamento de RNAm No processamento do RNAm, segmentos da sequência recém-criada, denominados intrões, são removidos. Os exões restantes são novamente unidos para formar o RNAm que codifica uma proteína funcional. A remoção de intrões diferentes do RNAm permite que um único gene codifique múltiplas proteínas. Exemplo na imagem: - Para a proteína 1, os intrões A, C, G e I foram removidos. - Para a proteína 2, os segmentos B, D, F e H tornaram-se os intrões. Só a modificação pós-transdução converterá a proteína recém-sintetizada na sua forma final. Tradução A tradução emparelha os codões do RNA com os aminoácidos para criar proteínas. O RNAm deixa o núcleo e vai até o citoplasma, onde com auxílio do RNAt e do RNAr, une aminoácidos numa sequência designada (pela sequência de bases). Controlo da Homeostasia Vias de controlo reflexas Os sistemas de controle funcional requerem uma comunicação eficiente. Para esse efeito são utilizadas múltiplas combinações de sinais de dois tipos: - Químicos - Elétricos Os químicos são os maioritariamente utilizados. No entanto há sinais que não conseguem chegar ao interior da célula. Assim há recurso a receptores de membrana e a transdução de sinal para transferir a sua informação para a célula. Comunicação célula a célula Há quatro métodos de comunicação célula a célula: 1) transferência citoplasmática direta através de junções comunicantes; 2) sinalização dependente de contato; 3) comunicação química local; Parácrinos Autócrinos Quando as junções comunicantes estão abertas, sinais químicos e A atividade de sinais parácrinos e autócrinos é elétricos passam diretamente de limitada pela distância da difusão. uma célula para a outra.  4) comunicação de longa distância. A sinalização de longa distância pode usar sinais elétricos ou moléculas neuroendócrinas (ou neurócrinas) transmitidos pelos neurónios (sistema nervoso) ou sinais químicos (hormonas secretadas pelo sistema endócrino) transportados pelo sistema circulatório. Apenas células que possuem receptores específicos para uma hormona específica serão células-alvo. Ex: Citocinas Citocinas: sinalizadores locais e de longa distância As citocinas estão entre as moléculas de comunicação mais recentemente identificadas. Inicialmente, citocina referia-se apenas aos péptidos moduladores da resposta imune, mas recentemente, esta definição tornou-se mais abrangente, incluindo vários péptidos reguladores, com uma estrutura secundária similar. As famílias incluem interferões, interleucinas, factores estimuladores de colónia e factores de crescimento. Para além da resposta imune (e.g., inflamação), controlam o desenvolvimento e a diferenciação celular funcionado como sinalizadores autócrinos ou parácrinos. No stress e na inflamação, algumas podem, tal como as hormonas, actuar em alvos relativamente distantes, com transporte pela circulação. Mas diferem das hormonas, uma vez que: - São produzidas por células epiteliais especializadas (e não glândulas). - Qualquer célula nucleada pode segregar citocinas em algum momento da sua vida, quando disso houver necessidade; as proteínas ou péptidos hormonais são produzidos previamente em células endócrinas especializadas e colocados em stock até serem necessários. - As vias de sinalização das citocinas são geralmente diferentes das hormonas. Contudo, a distinção entre citocinas e hormonas muitas vezes não é clara. P. ex., a eritropoietina, a molécula que controla a síntese dos eritrócitos, é por tradição considerada uma hormona, mas funcionalmente encaixa-se na definição de uma citocina. Vias de sinalização Sinais químicos ligam-se a receptores e alteram moléculas sinalizadoras (intracelulares) que irão determinar a resposta. Moléculas sinalizadoras lipofílicas entram na célula e combinam-se com receptores citoplasmáticos ou nucleares. Moléculas sinalizadoras lipofóbicas (e algumas moléculas lipofílicas) combinam-se com receptores de membrana. Quatro categorias de receptores de membrana Transdução de sinal É o processo pelo qual uma molécula sinalizadora extracelular ativa um receptor de membrana, que, por sua vez, altera moléculas intracelulares para gerar uma resposta. A molécula sinalizadora extracelular é o primeiro mensageiro, e as moléculas intracelulares formam um sistema de segundo mensageiro. Um transdutor é um dispositivo que converte uma forma de sinal em uma forma diferente – em sistemas biológicos, as proteínas de membrana atuam como transdutores: convertem a mensagem de sinais extracelulares em moléculas de mensageiros intracelulares que iniciam uma resposta. Nas células, a amplificação do sinal transforma uma única molécula sinalizadora em múltiplas moléculas O rádio possui uma antena, que recebe sinais, um de segundos mensageiros. transdutor, que converte as ondas de rádio em ondas sonoras, e um amplificador, que aumenta a força do sinal. Algumas vias de transdução de sinal ativam proteínas-cinase. Outras ativam enzimas amplificadoras que geram moléculas de segundos mensageiros. Os canais iónicos dependentes de ligandos abrem ou fecham, produzindo sinais elétricos. Vias de sinalização ativam cascatas intracelulares, que amplificam o sinal original. Transdução de sinal acoplada à proteína G. Proteínas G associadas a enzimas amplificadoras são o sistema de transdução de sinal mais prevalente. Os receptores acoplados à proteína G também alteram canais iónicos. A via da proteína G acoplada à adenilato- ciclase-AMPc-proteína-cinase A é a via mais comum para hormonas peptídicas e proteicas. Transdução de sinal acoplada à proteína G. Na via da fosfolipase C acoplada à proteína G, a enzima amplificadora fosfolipase C (PLC) gera dois segundos mensageiros: trisfosfato de inositol (IP3) e diacilglicerol (DAG). 2+ Receptores enzimáticos ativam proteínas-cinase, como a tirosina- Os receptores integrina ligam a matriz cinase, ou a enzima amplificadora extracelular ao citoesqueleto. guanilato-ciclase, que produz o segundo mensageiro GMPc. Mapa resumido da transdução de sinal “Novas” moléculas Incluem o ião Ca2+, os gases NO, CO e H2S e os eicosanóides - uma família de mensageiros derivados de lípidos membranares. sinalizadoras Moléculas sinalizadoras incomuns que são importantes na fisiologia e na medicina. Os processos e vias controlados por estas moléculas sinalizadoras são conhecidos há anos, mas os agentes dessa sinalização só recentemente foram descobertos. Ião cálcio (Ca2+) O cálcio é uma importante molécula sinalizadora que se liga à calmodulina, alterando a sua actividade enzimática. Também se liga a outras proteínas celulares para alterar o movimento e iniciar a exocitose. Moléculas sinalizadoras gasosasde vida curta, autócrinas/parácrinas atuando próximo de onde são Moléculas produzidas. Óxido Nítrico (NO) é a mais conhecida. A ½ vida de 2-30 segundos levou a que, durante anos, só se soubesse de uma molécula sinalizadora de curta duração (EDFR- endothelial-derived relaxing factor) produzida pelo endotélio dos vasos sanguíneos que se difundia para as células musculares lisas, causando o relaxamento do músculo e a dilatação do vaso sanguíneo. O NO activa a forma citosólica da guanilato-ciclase e causa a formação do segundo mensageiro GMPc. No encéfalo atua como um neurotransmissor e neuromodulador. Monóxido de carbono (CO), gás tóxico, também activa a guanilato-ciclase e o GMPc; pode actuar independentemente no músculo liso e no tecido nervoso. Sulfureto de hidrogénio (H2S), gás tóxico e a mais recente molécula sinalizadora gasosa a ser descrita. Atua no sistema circulatório, relaxando os vasos sanguíneos. O alho é a fonte dietética principal de precursores contendo enxofre, o que pode explicar os resultados de estudos que sugerem que comer alho tem efeitos protetores sobre o Um dos avanços mais interessantes a partir do sequenciamento do genoma humano e do uso de genes para encontrar proteínas, tem sido a identificação dos receptores órfãos – receptores que não possuem ligando conhecido. Por meio de investigação retrograda a partir das vias de sinalização, tenta encontrar-se os ligandos que se ligam a esses receptores órfãos. Foi por esta via que se reconheceu a importância e a universalidade dos eicosanoides – sinalizadores parácrinos, derivados de lípidos, que exercem papéis importantes em muitos processos fisiológicos. Todas as moléculas sinalizadoras eicosanoides são derivadas do ácido araquidónico, um ácido gordo de 20 carbonos. O processo de síntese é uma via chamada cascata do ácido araquidónico que produz moléculas sinalizadoras lipídicas, como leucotrienos, prostaglandinas e tromboxanos. Modulação das vias de sinalização A resposta de uma célula a uma molécula sinalizadora é determinada pelo receptor da célula para esse sinal. Os receptores, tal como outras proteínas (i.e., enzimas e transportadores de membrana) apresentam saturação, especificidade e competição. Quando um ligando se combina com um receptor, um dos dois eventos ocorre: i) ativa o receptor e inicia uma resposta, ou; ii) ocupa o sítio de ligação e impede o receptor de responder. Um ligando competidor do ligante primário produz uma resposta é conhecido como agonista. Um ligando competidor que bloqueia a Agonistas e antagonistas do atividade do receptor é conhecido como receptor. A aumentar a já elevada complexidade das vias de sinalização na célula, variações entre famílias relacionadas de receptores – isoformas- adicionam ainda maior grau de complexidade. Um ligando pode ter efeitos diferentes quando ligado a diferentes isoformas. A resposta do alvo depende do receptor do alvo. Neste exemplo, os vasos sanguíneos contraem ou dilatam dependendo do tipo de  A “regulação para cima” (up regulation) e a “regulação para baixo” (down regulation) permitem que as células modulem as respostas Células expostas a concentrações muito altas de um sinalizador por um período de tempo prolongado tentam conduzir a sua resposta a valores normais por meio de mecanismos de “regulação para baixo” ou dessensibilização. Na regulação para baixo, a célula diminui o número de receptores. p.ex. remoção física de receptores da membrana por endocitose. Na dessensibilização, a célula diminui a afinidade de ligação do receptor. p.ex. pela ligação de um modulador químico ao receptor - os receptores β-adrenérgicos descritos na slide anterior podem ser dessensibilizados pela fosforilação do receptor.. A down regulation e a dessensibilização são a explicação para o desenvolvimento da tolerância a fármacos, uma condição na qual a resposta a uma determinada dose diminui apesar da contínua exposição ao medicamento. A regulação para cima é o oposto da regulação para baixo e envolve o aumento do número de receptores para um sinal. p.ex., se um neurônio está lesado e incapaz de liberar quantidades normais do neurotransmissor, a célula-alvo pode regular para cima os seus receptores. Mais receptores fazem a célula-alvo ficar mais responsiva ao neurotransmissor que estiver presente. As células possuem mecanismos de finalização para as vias de sinalização, como a remoção da molécula sinalizadora ou a degradação do complexo receptor-ligando. Muitas doenças têm sido associadas a defeitos em vários pontos das vias de sinalização, como a falta de receptores, receptores defeituosos ou a acção de toxinas. Vias reflexas homeostáticas Os mecanismos de sinalização celular descritos anteriormente são apenas um pequeno componente dos sistemas de sinalização do organismo que mantêm a homeostasia. Para mecanismos de controle local, uma mudança relativamente isolada ocorre numa célula ou tecido, e os sinais parácrinos ou autócrinos libertados representam toda a via de sinalização. Em vias de controle reflexo mais complicadas, a informação deve ser transmitida para todo o corpo, utilizando sinais químicos ou uma combinação de sinais químicos e eléctricos. Walter Cannon, o pai da fisiologia norte-americana, descreveu várias propriedades dos sistemas de controle homeostático, na década de 1920, baseado em suas observações do corpo nos estados saudável e doente*. Isto ocorreu décadas antes de os cientistas*W.terem B. Cannon. qualquer ideia de Organization for physiological como homeostasis. essesReviews 9: 399-443, Physiological Os quatro postulados básicos da homeostasia de Cannon: 1) O sistema nervoso desempenha um importante papel na manutenção da homeostasia. 2) Alguns parâmetros estão sob controle tónico, o que permite que o parâmetro seja aumentado ou diminuído por um único sinal. 3) Outros parâmetros estão sob controle antagónico, no qual uma hormona ou neurónio aumenta o parâmetro enquanto outro o diminui. 4) Os sinais químicos podem ter efeitos diferentes em diferentes tecidos do corpo, dependendo do tipo de receptor presente na célula-alvo. Nas vias de controlo reflexo, ocorre uma cadeia de No centro integrador a decisão de responder a uma mudança corresponde ao envio de um sinal elétrico ou químico (eferente) enviado á célula ou tecido-alvo que inicia a resposta. Esta resposta vai, por meio de um mecanismo de retroalimentação (feedback) levar a que o ciclo se inicie (por meio de sinalização aferente) novamente até ao centro integrador. As vias reflexas de longa distância envolvem os sistemas nervoso e endócrino e as citocinas.  No primeiro passo da retroalimentação de resposta fisiológica, um estímulo activa um sensor ou receptor. Como muitos outros termos usados na fisiologia, receptor pode ter diferentes significados A palavra receptor pode significar uma proteína que se liga a um ligando. Receptor também pode significar uma célula ou estrutura especializada na transdução de estímulos em sinais eléctricos (um receptor sensorial ou sensor). Os receptores sensoriais são classificados como central ou periférico, dependendo de se são encontrados no O controlo neural é mais rápido e mais especifico do que o controle endócrino, mas geralmente tem menor duração. O controlo endócrino é menos específico e mais lento a iniciar-se, mas dura mais tempo e é geralmente amplificado. Muitas vias reflexas são combinações complexas de mecanismos de controlo neural e endócrino. Padrões de vias reflexas