ORGANITOS MEMBRANARES

 

 

A membrana delimita um conjunto de compartimentos dentro do espaço celular. Estes compartimentos diferem entre si, não só pela morfologia como também pelas funções que desempenham. O mais vasto desses compartimentos, que preenche grande parte da célula, é o retículo endoplasmático. A parte do retículo que delimita o núcleo, designa-se por invólucro nuclear. Intimamente dependente do retículo, formando-se a partir dele, aliás, encontra-se o aparelho de Golgi, constituído por vários dictiossomas. Formam-se igualmente a partir do retículo os pequenos peroxissomas, bem como os glioxissomas de certas células vegetais, enquanto que os lisossomas são gerados pelos dictiossomas. Nas células vegetais, os lisossomas são ainda responsáveis pela formação de um organito que lhes é próprio: o vacúolo.

Durante o funcionamento da célula, formam-se outros compartimentos, mas que não podem ser considerados como organitos; são simples vesículas, transitórias, que apenas se destinam a transportar materiais, quer endocitados e destinados à digestão intracelular, quer segregados pelo aparelho de Golgi, ou pelo próprio retículo.

 

Retículo endoplasmático

 

 Todo o citoplasma é atravessado por uma rede de canais e cisternas cuja forma e organização espacial são muito variáveis, que se denomina retículo endoplasmático. A uma parte do retículo encontram-se, por vezes, associados numerosos ribossomas. O retículo adquire então uma aparência granulosa e designa-se por retículo endoplasmático granuloso (ou rugoso) ou, abreviadamente, por REG. Também se lhe atribui a designação de ergastoplasma. Por contraste, o retículo desprovido de ribossomas conserva uma aparência lisa; por esta razão é designado por retículo endoplasmático liso ou, abreviadamente, por REL. O REG e o REL são dois aspectos de uma mesma realidade, cuja aparência pode mudar constantemente.

 

 

A importância relativa do REG e do REL varia de célula para célula e, no mesmo tipo celular, depende do estado fisiológico. Por exemplo, nas células acinosas do pâncreas, o REG situa-se na região basal; nas células hepáticas (hepatócitos) o retículo dispersa-se no citoplasma e mais de um terço é de tipo liso; nas células que sintetizam hormonas esteroides, o retículo é essencialmente de tipo liso e assume o aspecto de uma rede tubular.

 

 

 

As membranas do retículo são mais delgadas que a membrana plasmática: a sua espessura varia entre 5 a 6 nm.

 

 

Aparelho de Golgi

 

O Aparelho de Golgi foi descoberto por Camilo Golgi, em 1898, ao estudar células de Purkinje do cérebro da coruja. Posteriormente, a sua existência foi confirmada através de observações em microscopia electrónica, por Sjöstrand e outros, em 1950, e generalizada a muitos outros tipos celulares.

 São observáveis em muitas células, nas imediações do núcleo, conjuntos de cisternas achatadas e aparentemente empilhadas, envolvidas por miríades de pequenas vesículas de dimensões variáveis. Não se lhes encontra uma relação de continuidade com o retículo endoplasmático, se bem que dele não estejam distanciados. Estes conjuntos, assim descritos, designam-se por dictiossomas. Numa célula, podem existir vários dictiossomas. A designação de Aparelho de Golgi (ou complexo de Golgi) atribui-se ao conjunto dos dictiossomas de uma célula.

Os dictiossomas são estruturas polarizadas, nas quais se distinguem duas faces: uma face geralmente convexa, dita de formação ou “cis”, onde ocorre a formação das cisternas; e uma face côncava, dita de maturação ou “trans”, oposta. Todos os dictiossomas de uma célula se encontram comunicantes através de uma rede tubular que une as faces de maturação.

A formação das cisternas golgianas efectua-se por coalescência de múltiplas vesículas que se desprendem do retículo (geralmente do REG), como se este “borbulhasse”, carregadas de produtos sintetizados. São as chamadas vesículas de transição e, como muitas outras, possuem um revestimento externo, felpudo, pelo são designadas genericamente por “coated vesicles”. Tal fenómeno ocorre a partir de uma superfície do retículo liberta de ribossomas.

Da face oposta, de maturação, desprendem-se, por sua vez, inúmeras vesículas carregadas de secreções, que apresentam diferentes aspectos, consoante o destino do conteúdo.

 

 

 A função primordial do Aparelho de Golgi é revelada pelos principais enzimas que nele se localizam: glicosil-transferases, que promovem glicosilações de lípidos (formação de glicolípidos) e de proteínas (glicoproteínas) e sulfo-transferases, que assistem às transferências de grupos sulfato, para proteínas. Distinguem-se três classes de secreções:

As vesículas de secreções constitutivas são coated vesicles, revestidas por estruturas proteicas designadas por coatómeros. Neste revestimento proteico incluem-se marcadores especificamente reconhecíveis por receptores alvo situados na face interna da membrana plasmática. A libertação das secreções faz-se por exocitose.

 

2. As secreções reguladas são específicas das células secretoras e são libertadas unicamente quando a célula é objecto de estimulação específica, como, por exemplo, aumento da concentração de Ca++ ou recepção de um sinal químico. Este tipo de secreção é ilustrado pela produção de enzimas digestivos, de hormonas e de neurohormonas.

As vesículas de secreção são igualmente do tipo coated vesicle, mas o revestimento é formado por uma proteína denominada clatrina, à qual se associam marcadores específicos. À medida que se formam, estas vesículas podem fusionar com a membrana plasmática mas, o habitual, é coalescerem em grandes vacúolos, onde as macromoléculas são concentradas em grãos de secreção, antes de serem exocitadas.

Contrariamente aos coatómeros, o revestimento de clatrina tende a desaparecer, restando contudo os marcadores, que serão especificamente reconhecidos por receptores alvo da face interna da membrana plasmática.

3. As secreções lisossómicas são constituídas por uma grande variedade de enzimas hidrolíticos. As vesículas que os embalam são também revestidas de clatrina. Existe contudo uma especificidade nestas vesículas: elas formam-se em zonas do dictiossoma onde a membrana possui, internamente, receptores para os enzimas lisossómicos. Estes são glicoproteínas em cuja composição entra uma manose fosforilada (manose-6-fosfato). Os receptores referidos permitem fixar os enzimas e agrupá-los antes de os encerrar numa vesícula.

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EsqueEsquema do funcionamento de um dictiossoma e formação de vesículas de secreção.

F.f : face de formação; F.m : face de maturação; s.c : secreção constitutiva; s.l : secreção lisossómica;

s.r : secreção regulada; v.s : vacúolos de secreção (grãos de secreção); v.t : vesículas de transição

 

 

 

Lisossomas

 

 

Caracterização

Ao contrário da maioria dos organitos citoplasmáticos, os lisossomas não foram descobertos pela observação, mas pela dedução. Com efeito, nos anos 50, De Duve (Prémio Nobel) estudava as hidrolases celulares e descobriu que todas elas, que apresentavam um pH óptimo aproximadamente de 5, se acompanhavam quando se submetiam homegeneizados de tecidos a centrifugação diferencial. De Duve e colaboradores concluiram que as hidrolases deveriam encontrar-se agrupadas num organito desconhecido, limitado por uma membrana, a qual deveria romper-se para que os enzimas fossem activos nas suspensões. Denominaram llisossoma esse organito hipotético, e deduziram, a partir dos valores de sedimentação em centrifugação, que deveriam medir cerca de 0,4 µm de diâmetro.

A microscopia electrónica viria dar-lhes inteira razão. Os lisossomas são pequenas vesículas membranares, que encerram hidrolases ácidas. Mais de 70 hidrolases diferentes foram identificadas nos lisossomas. Entre estas, figuram enzimas específicos de diferentes substratos: lipases (triglicerídeos lipase, fosfolipases); proteinases (exopeptidases e endopeptidases), glucosidases (exoglucosidades e endoglucosidases); nucleases (desoxirribonucleases e ribonucleases), etc.

As hidrólises são reacções que quebram moléculas, em presença de água, como se ilustra na reacção abaixo esquematizada.

 

 

Origem e modo de actuação

Como ficou dito, os lisossomas são produzidos pelo Aparelho de Golgi, libertando-se a partir da face de maturação dos dictiossomas.

As hidrolases lisossómicas são glicoproteinas que possuem, na sua estrutura, uma manose-6-fosfato. As membranas das cisternas golgianas possuem, por sua vez, na face interna, receptores que identificam a manose, e que fixam as hidrolases referidas. Só após esta operação, é que ocorre a formação de vesículas lisossómicas. Estas porém, não possuem ainda a acidez necessária ao pleno funcionamento dos enzimas. São por isso designados por pré-lisossomas (P.L).

A aquisição da acidez é um processo posterior à formação da vesícula lisossómica. Resulta do bombeamento de protões (H+) para o interior do pré-lisossoma, realizado por bombas protónicas intrínsecas à membrana lisossómica. Após esta fase de "maturação", o lisossoma está apto para intervir nos processos de digestão celular. Designa-se por lisossoma primário (L.p).

Formação e maturação de lisossomas

1: na face de maturação dos dictiossomas, as diversas hidrolases lisossómicas (Hs) possuem, na sua estrutura glicoproteica, uma manose-6-fosfato (M-6P);

2: receptores proteicos específicos (R.m) da manose-6-fosfato (M-6P) localizam-se na membranas dos dictiossomas (D);

3: a ligação das hidrolases aos receptores membranares, induz nestes uma alteração estrutural que se repercute na face oposta da membrana, sobre um revestimento externo constituído por uma malha de clatrina (R.Cl);

4: em consequência, a malha de clatrina aperta, estrangula localmente a cisterna golgiana e isola uma vesícula carregada de hidrolases (Pré-lisossoma - P.L);

5: enquanto a malha de clatrina se desmancha e desaparece, bombas de transporte activo de protões (B.p), integradas na membrana, injectam protões na matriz lisossómica, acidificando-a. O Lisossoma passa a estar activo e pronto a intervir nos processos de digestão (Lisossoma primário - L.p).

 

Os lisossomas primários descarregam a sua carga enzimática em vacúolos de endocitose (endossomas, no caso de heterofagia) ou em vacúolos de autofagia. O processo de digestão decorre a partir da fusão de um ou mais lisossomas com as referidos vacúolos e, consequentemente, a mistura das enzimas lisossómicas com as substâncias captadas. Ao fundirem-se os lisossomas primários com a vesícula portadora dos materiais a digerir, forma-se uma nova estrutura, designada por lisossoma secundário (L.s). Neste, as hidrolases actuam directamente sobre os substratos. As pequenas moléculas resultantes da digestão são assimiladas através da membrana, pelo citossol; pelo contrário, os materiais não digeríveis, constituem um corpo residual, sempre elimitado por uma membrana, que poderá ser eliminado por exocitose

Funções

Os lisossomas têm funções múltiplas: (i) participam na nutrição celular, digerindo os materiais obtidos por endocitose; (ii) actuam no catabolismo celular, destruíndo macromoléculas; (iii) intervêm no processo de reciclagem dos materiais estruturantes, destruindo as estruturas inoperantes ou desnecessárias; (iv) ou ainda nos mecanismos de defesa contra agentes exteriores.

As hidrólises promovidas pelos lisossomas são, na maioria dos casos, endocelulares, referindo-se quer à digestão de materiais exógenos (heterofagia), quer a materiais próprios da célula (autofagia). No primeiro caso, a captação dos materiais opera-se por endocitose, ficando estes encerrados em endossomas, com os quais os lisossomas primários fusionam; no segundo caso, ocorre um fenómeno de envolvimento das estruturas celulares a destruir por parte do retículo endoplasmático (por exemplo, as mitocôndrias excedentárias ou degradadas) ou macromoléculas (grãos de glicogénio, por exemplo). Formam-se assim autossomas com os quais coalescem os lisossomas primários. Tanto no primeiro, como no segundo caso, após a fusão com os lisossomas primários, formam-se vesículas onde os materiais a digerir se misturam com as hidrolases. Designam-se por lisossomas secundários.

A heterofagia constitui um dos mecanismos celulares de captação de matéria, quando esta se encontra em condições físicas (volume, por exemplo) incompatíveis com os mecanismos de transporte transmembranar (ver Transportes Transmembranares).

Em alguns casos, a heterofagia processa-se no exterior da célula. As hidrolases lisossómicas actuam no exterior, sendo libertadas por exocitose. Este tipo de digestão ocorre, por exemplo, no processo de remodelação dos tecidos ósseo e cartilagíneo. Os fungos secretam igualmente hidrolases ácidas que degradam substâncias existentes no meio extracelular, como por exemplo a celulose. As pequenas moléculas resultantes da digestão são, em seguida, absorvidas pela célula, com recurso aos mecanismos habituais de transporte transmembranar.

A autofagia constitui uma das funções principais dos lisossomas. Com efeito, regendo-se o funcionamento da célula, por rigorosos princípios de economia que não autorizam o desperdício de recursos, as estruturas envelhecidas ou desajustadas das necessidades, são eliminadas e os seus componentes, recuperados e utilizados na síntese de novas moléculas ou na edificação de novas estruturas. A célula mobiliza, para esta reciclagem de materiais, mecanismos idênticos aos que emprega para digerir as substâncias “importadas”.

 

 

Participação dos lisossomas na digestão heterofágica e autofágica

A.F: autofagia; H.F: heterofagia; Cr: corpo residual; Gg: grãos de glicogénio; I.N: invólucro nuclear; Lp: lisossomas primários;

Ls: lisossomas secundários; PL: pré-lisossomas; PN: póros nucleares; Px: peroxissomas; Sc: secreção constitutiva; Sr: secreção regulada

 

Lisossomas localizados junto de dictiossomas do Aparelho de Golgi

 

Patologias

A captura e digestão de materiais não digeríveis pode estar na origem de certas patologias, tais como a gota e a silicose.

A gota, doença que atinge preferencialmente os homens, resulta de uma perturbação do metabolismo das purinas, caracterizada pela produção excessiva de ácido úrico no plasma, conduzindo à precipitação de cristais de urato de sódio no líquido sinovial das articulações. Estes cristais são fagocitados pelos granulócitos e estabelecem-se, de seguida, numerosas pontes de hidrogénio entre as arestas do cristal e os átomos de oxigénio dos pólos hidrófilos da face interna da membrana do endossoma.  Quando ocorre a junção dos lisossomas primários aos endossomas (formação dos lisossomas secundários), produzem-se deformações da membrana e, consequentemente, rupturas nos pontos de ligação aos cristais. A libertação das enzimas lisossómicas no hialoplasma e, posteriormente, no líquido sinovial, desencadeia reacções inflamatórias das articulações, ou artrite, sinal clínico da doença.

A silicose, doença profissional dos mineiros, é provocada pela inalação de partículas de sílica. Estas, arrastadas pelo ar até aos alvéolos pulmonares, são fagocitadas pelos macrófagos, que asseguram não só a defesa bacteriana mas também a limpeza interior dos alvéolos. As partículas de sílica ingeridas ligam-se às paredes dos lisossomas secundários e provocam também a ruptura da membrana. A destruição dos macrófagos liberta no meio extracelular um factor que estimula a síntese do colagénio pelos fibroblastos e a formação de uma fibrose do tecido pulmonar que afecta as funções respiratórias.

 

 

 

 

Peroxissomas

 

Caracterização

Os peroxissomas foram descritos, pela primeira vez, por Rodhin (1954), em células de rato, sendo então designados por "microbodies". Contudo a sua caracterização bioquímica ficou a dever-se a De Duve e colaboradores. Em 1966, De Duve propôs a designação de peroxissoma em substituição da de "microbodies", então generalizada, salientando a existência simultânea, nestes organitos, de duas classes de enzimas: oxidases produtoras de peróxido de hidrogénio (água oxigenada) e catalases. Posteriormente, os peroxissomas foram identificados em diversas células animais e vegetais.

 

 

OOs peroxissomas (Px) formam-se a partir do retículo. Encerram oxidades e catalases, as quais, frequentemente, se condensam em corpos de estrutura cristalina (cr)

 

Os peroxissomas são pequenas vesículas membranares, esféricas ou ovoides,geralmente mais pequenas que as mitocôndrias. A sua matriz apresenta-se, habitualmente, com uma textura finamente granular e contém, frequentemente, um corpo denso no qual se reconhece uma estrutura cristalina, designado por cristaloide ou "core". O cristaloide resultaria da cristalização progressiva da catalase ou oxidases existentes na matriz.

 

Funções

De uma forma geral, os peroxissomas participam na oxidação de substratos em presença de oxigénio molecular e, em seguida, realizam a decomposição do peróxido de hidrogénio, proveniente daquelas oxidações. Esta competência bioquímica dos peroxissomas é utilizada por diferentes tipos celulares com diversos objectivos. Nas células vegetais, os peroxissomas participam na fotorrespiração e, entre outras funções, promovem a conversão de lípidos em glúcidos, quando da germinação de sementes de oleaginosas (neste caso, designam-se por glioxissomas). Esta operação inclui a b-oxidação dos ácidos gordos, que se realiza igualmente no fígado, no rim e em outros órgãos de mamíferos. Nos animais, os peroxissomas intervêm ainda em numerosas outros segmentos catabólicos (catabolismo da purinas, oxidação do etanol, etc.) e anabólicos (síntese de ácidos biliares, síntese de colesterol, etc.).

 

Biogénese

A origem dos peroxissomas é controversa, sabendo-se, contudo, que os enzimas que os caracterizam não provêm do REG. Um dos modelos hipotéticos da biogénese dos peroxissomas considera que o compartimento peroxissómico se forma a partir do retículo, mas que as cadeias polipeptídicas dos enzimas (oxidades e catalases) são sintetizadas no citossol, ao nível de polissomas livres, e posteriormente transferidos para a matriz dos referidos compartimentos:

Enzimas (oxidases e catalases) + compartimentos (destacados do REG) = peroxissoma

A transferência das cadeias polipeptídicas para o interior dos peroxissomas implica a existência de mecanismos de reconhecimento específico, designadamente a existência, na membrana dos peroxissomas, de transportadores específicos. Estes seriam sintetizados no REG e incorporados na membrana do REL, antes de se isolarem os compartimentos peroxissómicos.

Formação dos peroxissomas

1: no REG são sintetizadas, entre outras, proteínas membranares (P.m) específicas do transporte das oxidases e catalases;

2: as P.m concentram-se no REL, a partir do qual se geram os compartimentos peroxissómicos em formação (C.P.f);

3: a síntese das cadeias polipeptídicas dos enzimas peroxissómicos (E.P) tem lugar no citossol, a partir de polissomas livres (Pol.);

4: as cadeias polipeptídicas passam para o interior dos peroxissomas (Px) através das proteinas de transporte

 

 

Vacúolo

 

As células vegetais típicas possuem um grande vacúolo que, em alguns tipos celulares, chega a ocupar mais de 90% do volume da célula. As células jovens, meristemáticas, não possuem, contudo, um vacúolo, mas uma certa quantidade de pequenas vesículas, os protovacúolos. À medida que as células crescem, os provacúolos coalescem até formarem o vacúolo central.

 

Caracterização

O conteúdo do vacúolo é muito diversificado. Nele se encontram, em solução, iões inorgânicos, aminoácidos, ácidos orgânicos, açucares, pigmentos hidrosolúveis, como as antocianinas, e ainda materiais insolúveis sob a forma de cristais. Além destas substâncias, o vacúolo contem enzimas, tais como hidrolases, catalases, fosfatases, etc.

O vacúolo é limitado por uma membrana designada por tonoplasto, que apresenta uma espessura semelhante à das membranas citoplasmáticas; portanto, ligeiramente inferior à espessura da membrana plasmática.

A existência de um enorme vacúolo no interior das células vegetais, faz com que o citoplasma e o núcleo tendam a ocupar uma posição periférica, Tal facto acarreta, como vantagem, o aumento da superfície fronteira da célula e, portanto, a capacidade de permuta; por outro lado, os cloroplastos, dispondo-se numa fina perícula de citoplasma, lado a lado, não provocam sombra uns sobre os outros. Apesar da disposição periférica do citoplasma, subsistem finas pontes citiplasmáticas que atravessam o espaço vacuolar.

A pressão osmótica do líquido vacuolar, combinada com a contra-pressão parietal exercida pela parede celular, determina os movimentos de água entre o meio exterior e a célula. Designa-se por potencial hídrico da célula (y)a diferença entre a contra-pressão (P) devida à deformação elástica da parede, e a pressão osmótica (p) do vacúolo:

y = - p + P

O potencial hídrico, habitualmente, situa-se entre -10e -15 bars, em diversos tecidos vegetais. A água migra sempre dos meios com potenciais hídricos elevados para os de potencial hídrico mais baixo. Assim, a água penetra na célula vegetal (endosmose) e incha o vacúolo, o que provoca a turgidez. O fenómeno inverso, de saída da água (exosmose ou transpiração), provoca a plasmólise da célula: a diminuição do volume do vacúolo tem como consequência o afastamento da membrana plasmática da parede.

 

Génese

A presença no vacúolo, de diversas hidrolases de tipo lisossómico, tem vindo a sustentar a tese de que o vacúolo seria um enorme lisossoma secudário, resultante da fusão de um grande número de pequenos lisossomas, igualmente secundários. Nesta perspectiva, os protovacúolos seriam lisossomas. As hidrolases activas presentes nestes organitos actuariam digerindo porções do citoplasma. Após esta fase de autofagia, os protovacúolos confluem num grande vacúolo central.

No sistema vacuolar das células vegetais, incluem-se os grãos de aleurona, formas de vacúolos especializados na acumulação de proteínas de reserva, em sementes. No momento da germinação, a hidratação activa as proteiases e fosfatases presentes nos grãos de aleurona.

 

Funções

O vacúolo desempenha diversas funções importantes, entre as quais referiremos as mais importantes:

1. O vacúolo constitui um reservatório de substâncias metabolicamente activas, como açucares, aminoácidos e outras moléculas, ou de subprodutos do metabolismo, como os alcaloides e os taninos. Algumas destas últimas substâncias desempenham, pela sua elevada toxicidade, um papel importante na defesa contra animais herbívoros.

Entre os produtos acumulados no vacúolo, encontram-se alguns de utilização metabólica imediata. Tal é o caso das plantas que fixam o dióxido de carbono durante a noite e o convertem em malato, que é acumulado no vacúolo até ser mobilizado para a síntese de açúcares, em presença da luz. Outros, como os aminoácidos, constituem formas de armazenamento do excesso de azoto, obtido por fixação do azoto atmosférico.

2. No vacúolo localizam-se pigmentos responsáveis pela cor vermelha (antocianinas) de pétalas e outros órgãos, ou pela cor amarela ( flavonas) de pétalas, e que desempenham um papel importante nas relações planta/animal, em particular na atracção dos polinizadores;

3. Dada a elevada concentração de substâncias dissolvidas, o vacúolo é responsável pela turgidez da célula, na medida em que a diferença de concentrações entre o interior e o exterior provoca um apelo de água do exterior. A pressão osmótica assim gerada, contrapondo-se à elasticidade da parece celular, confere turgidez à célula vegetal;

4. O aumento do volume do vacúolo conduz ao alongamento da célula, processo que decorre enquanto a parede celular não adquir a sua composição final. Contrariamente às células animais, as células vegetais podem crescer à velocidade de 20-75 µm/h.

Crescimento da célula vegetal e formação do vacúolo

 

 

O vacúolo é limitado por uma membrana

 

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