Estrutura e Função de Biomoléculas e Organelas Celulares

05 de setembro - B1OA

Carboidratos Simples (Monossacarídeos)

Os carboidratos mais simples, chamados monossacarídeos, são compostos por uma única molécula (monômero). São sólidos, brancos, cristalinos, muito solúveis em água, mas insolúveis em solventes apolares. A maioria tem sabor doce.

Consistem em uma única unidade de polihidroxialdeídos ou polihidroxicetonas e têm a fórmula empírica (CH₂O)_n, onde n = 3 a 8, no máximo.

O esqueleto de carbono é não ramificado e todos os átomos de carbono, com exceção de um, possuem um grupo hidroxila (-OH). O átomo de carbono restante possui um grupo carbonila (C=O), que, como veremos, muitas vezes está combinado em uma ligação acetal.

• Se o grupo carbonila está no final da cadeia, o monossacarídeo é um aldeído e é chamado de aldose.
• Se o grupo carbonila está na segunda posição, o monossacarídeo é uma cetona e é chamado de cetose.

De acordo com o número de átomos de carbono, são nomeados: trioses (3), tetroses (4), pentoses (5), hexoses (6) e heptoses (7).

Polissacarídeos

Os polissacarídeos são substâncias de alto peso molecular com duas funções biológicas principais: substâncias de reserva e moléculas estruturais.

• Função estrutural: ligação β-glicosídica.
• Reserva de energia: ligação α-glicosídica.

Amido

O amido é a reserva de energia das plantas, abundante em sementes, tubérculos e cereais. É formado pela união de monômeros de α-D-glucose por ligações glicosídicas α(1→4) e α(1→6).

O amido é sintetizado durante a fotossíntese e se acumula em forma granular, dentro da célula, nos cloroplastos ou amiloplastos.

Celulose

A celulose é o homopolissacarídeo estrutural dos vegetais, sendo o principal componente da parede celular. É um polímero linear de moléculas de β-D-glucose unidas por ligações β(1→4).

Membrana Plasmática

A membrana plasmática é composta de lipídios, proteínas e oligossacarídeos. Estes estão ligados covalentemente a proteínas e lipídios, formando glicoproteínas e glicolipídios, e estão localizados preferencialmente no lado extracelular, constituindo o glicocálice nas células animais.

Funções do glicocálice:

• Reconhecimento celular.
• Proteção contra enzimas proteolíticas.
• Regulação da captação celular.
• Variação de permeabilidade.
• União de células na formação de tecidos.

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Aparelho de Golgi

O aparelho de Golgi é uma organela membranosa constituída por sáculos achatados e discoidais, delimitados por uma membrana unitária, levemente dilatada em suas extremidades, onde vesículas parecem emergir (3). Estes sacos são agrupados em grupos de 5 a 10 unidades, chamados dictiossomos, que normalmente têm uma face côncava e outra convexa. As cavidades são delimitadas por uma membrana unitária e preenchidas com líquido. Os diferentes dictiossomos são interligados. O aparelho de Golgi é frequentemente encontrado ao redor do núcleo ou centrossomo.

O aparelho de Golgi tem uma estreita relação entre sua estrutura e função, e está relacionado com o retículo endoplasmático, pois se forma a partir dele, e suas funções são complementares. O retículo endoplasmático e o complexo de Golgi formam o chamado complexo GERL.

Faces do Aparelho de Golgi:

• Face cis (externa ou de formação) (4): A face côncava dos sáculos é cercada por cisternas do retículo endoplasmático, de onde se desprendem vesículas. Estas vesículas são chamadas vesículas de transição (5) e transportam produtos armazenados no retículo endoplasmático. Várias delas se fundem com os sáculos do aparelho de Golgi, constituindo o primeiro compartimento. A partir daqui, novas vesículas se desprendem e fluem para o lado convexo, levando ao segundo compartimento do aparelho de Golgi.
• Face trans (interna ou de maturação) (1): No lado convexo dos dictiossomos, vesículas secretoras (2) se fragmentam. Várias dessas vesículas podem se fundir para formar grânulos secretores. Estes podem permanecer no citoplasma ou ir para o espaço extracelular por exocitose.

Lisossomos

Os lisossomos são organelas ligadas à membrana que contêm enzimas hidrolíticas capazes de degradar todos os tipos de polímeros biológicos.

A digestão celular consiste em quebrar moléculas complexas em moléculas mais simples. É realizada pelos lisossomos e pode ser de dois tipos:

• Intracelular:
  • Heterofagia (externa): Função de nutrição ou defesa contra infecções (ex: leucócitos fagocitam bactérias), limpeza (ex: macrófagos fagocitam restos celulares), reabsorção e destruição de substâncias, etc.
  • Autofagia (interna): O substrato é um componente celular (outras organelas, vacúolos, etc.). Serve para destruir áreas danificadas ou desnecessárias da célula.
• Extracelular: Os lisossomos liberam seu conteúdo para fora da célula por exocitose.

Produtos de degradação incorporados à célula por endocitose (fagocitose ou pinocitose) são digeridos dentro dos lisossomos. A substância é englobada por endocitose, formando uma vesícula fagocítica ou fagossomo. Lisossomos primários, originados do aparelho de Golgi ou do retículo endoplasmático liso, se unem ao fagossomo, formando um lisossomo secundário chamado heterofagossomo ou vacúolo heterofágico. Os lisossomos primários descarregam seu conteúdo e a degradação enzimática da substância incorporada ocorre. Após a digestão, os produtos resultantes atravessam a membrana do lisossomo secundário e são parcialmente liberados para o hialoplasma e parcialmente evacuados para fora da célula por exocitose (o inverso da endocitose). Os produtos introduzidos no hialoplasma podem ser usados para a síntese de componentes celulares ou ser catabolizados (anaeróbica ou aerobicamente) para obtenção de energia.

Retículo Endoplasmático (RE)

A função geral do retículo endoplasmático está relacionada com a síntese e transporte de componentes moleculares, incluindo membranas biológicas, proteínas e lipídios. No entanto, funcionalmente, distingue-se entre retículo endoplasmático rugoso e liso:

• RE Rugoso: Síntese de proteínas nos ribossomos ligados à membrana. As proteínas sintetizadas são descarregadas no RE e armazenadas ou transportadas para outras organelas ou locais da célula. Algumas proteínas se tornam parte da membrana do RE ou podem passar a fazer parte de outras membranas celulares (plasmática ou de outras organelas). A glicosilação de proteínas começa no RE e é concluída no aparelho de Golgi.
• RE Liso: Síntese, armazenamento e transporte de lipídios, particularmente fosfolipídios e colesterol. Atividade de detoxificação de substâncias nocivas para a célula, provenientes de dentro ou de fora da célula.

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Modelo do Mosaico Fluido da Membrana Plasmática

O modelo atualmente mais aceito para a estrutura da membrana plasmática é o "modelo do mosaico fluido", proposto por Singer e Nicolson em 1972. Segundo este modelo, as membranas são compostas por lipídios, proteínas e oligossacarídeos, organizados em uma configuração de baixa energia livre.

Os lipídios formam uma bicamada lipídica que fornece a estrutura fundamental da membrana e atua como uma barreira relativamente impermeável ao fluxo da maioria das moléculas solúveis em água. As moléculas lipídicas são orientadas com os grupos polares voltados para a fase aquosa (camada externa da membrana para o ambiente extracelular e camada interna para o citoplasma). Além de sua auto-montagem e auto-vedação, as bicamadas lipídicas possuem outra característica que as torna uma estrutura ideal para as membranas celulares: a fluidez. Esta permite que as moléculas lipídicas se movam livremente pela membrana (movimento lateral ou rotação sobre si mesmas).

A localização das proteínas na bicamada lipídica é uma função de seu caráter anfipático. De acordo com sua posição na membrana, existem dois tipos de proteínas:

• Proteínas integrais (transmembranares ou intrínsecas): Intercaladas ou incorporadas na bicamada lipídica.
• Proteínas periféricas (extrínsecas): Associadas à superfície citoplasmática da membrana.

As proteínas medeiam as várias funções da membrana.

Os oligossacarídeos formam o glicocálice na superfície externa da membrana. A grande maioria está covalentemente ligada a lipídios (glicolipídios) ou proteínas (glicoproteínas).

Síntese de Proteínas Integrais da Membrana

As proteínas integrais da membrana são sintetizadas no retículo endoplasmático rugoso, particularmente nos ribossomos presos à sua face externa. Estas proteínas desempenham funções em várias membranas: transporte de substâncias, reconhecimento celular, receptores de substâncias (hormônios, metabólitos, etc.).

Função do Colesterol na Membrana

O colesterol regula a fluidez da bicamada lipídica, pois interfere com as cadeias de hidrocarbonetos dos ácidos graxos, conferindo-lhes rigidez e evitando sua agregação.

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Código Genético

O código genético é a chave ou "dicionário" pelo qual o DNA, com seus quatro nucleotídeos constituintes, codifica cada proteína, com um máximo de vinte aminoácidos diferentes. O código genético contém toda a informação armazenada no DNA. Cada um dos 64 códons (trincas de bases) possíveis identifica um dos 20 aminoácidos das proteínas e vários sinais de início e término.

Características gerais do código genético (comum a todos os tipos de células):

1. Princípio da Colinearidade: Três nucleotídeos codificam um aminoácido. Como o número de nucleotídeos é quatro e o de aminoácidos é vinte, é impossível uma correspondência 1:1. Dois nucleotídeos por aminoácido resultariam em apenas 16 combinações. Portanto, três nucleotídeos por aminoácido fornecem 64 combinações diferentes (64 trincas), suficientes para codificar os 20 aminoácidos.
2. É degenerado: Várias trincas codificam o mesmo aminoácido. Quase todos têm em comum os dois primeiros nucleotídeos, com a variabilidade no terceiro.
3. As trincas não se sobrepõem: As trincas são interpretadas uma após a outra (5'→3'), e um nucleotídeo não pode pertencer simultaneamente a dois códons adjacentes.
4. A leitura do código é feita sem vírgulas: A sequência de nucleotídeos começa a partir de um ponto e é lida em grupos de três bases, sem interrupções. Se a leitura começar em um ponto errado, toda a sequência será alterada.
5. Possui sinais de início e término da leitura: Códon de iniciação (AUG) e códons de terminação (UAG, UAA e UGA).
6. É universal: As mesmas trincas têm o mesmo significado em todos os tipos de células.

O código genético estabelece a relação entre a sequência de nucleotídeos dos genes e a sequência de aminoácidos das proteínas. A decifração do código começou com a hipótese de Beadle e Tatum (1941): um gene codifica a formação de uma enzima (uma cadeia polipeptídica).

A descoberta do código genético é um exemplo de progresso científico e colaboração entre diferentes grupos de pesquisa.

Replicação Semiconservativa do DNA

A replicação semiconservativa do DNA foi proposta por Watson e Crick e demonstrada experimentalmente por Meselson e Stahl em 1957. A replicação do DNA ocorre durante a fase S (síntese) do ciclo celular (interfase). É semiconservativa porque as duas fitas de nucleotídeos que formam a dupla hélice do DNA são preservadas e servem como molde para a síntese de duas fitas complementares. Assim, a replicação resulta em duas moléculas de DNA, cada uma com uma fita antiga e outra nova.

A replicação começa em um ponto específico reconhecido pelas enzimas responsáveis pela iniciação. As duas fitas de DNA são desenroladas pela ação de enzimas chamadas helicases, formando uma forquilha de replicação. A partir daí, a replicação ocorre em duas direções (bidirecional).

Atividade Exonucleásica das DNA Polimerases

As DNA polimerases, além de realizar a replicação do DNA, possuem atividade exonucleásica, que lhes permite hidrolisar ligações fosfodiéster, atuando em processos de reparo do DNA.

Os organismos possuem mecanismos de reparo do DNA para lidar com mutações, sejam elas espontâneas ou induzidas. Estes mecanismos provavelmente se originaram no início da vida na Terra, devido à alta incidência de radiação UVA (antes da formação da camada de ozônio).