Citologia: Estrutura e Funções da Célula

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Definição de uma Célula

A célula como unidade organizacional biológica é o menor elemento básico de todos os organismos. É autónoma e cumpre funções básicas essenciais no metabolismo, crescimento, movimento, reprodução e hereditariedade.

Células eucarióticas e procarióticas em comparação

Células eucarióticas são de 10-100 µm de tamanho e possuem um núcleo que contém o ADN de vários cromossomas. Além dos exons (DNA codificador), o DNA é composto por muitos introns (genes não codificadores) que são removidos por processos como emendas, através da biossíntese de proteínas.

O citoplasma é fortemente compartimentado e é rico em organelas celulares. Ribossomos têm uma massa molecular de 80S para subunidades de 60S e 40S (quantidade de massa como constante de centrifugação de Svedberg). A cadeia respiratória ocorre nas mitocôndrias. Exemplos de eucariotas são fungos e células animais (de células de vermes a células humanas).

Uma célula procariótica, contudo, tem um tamanho de apenas 1-10 µm e contém um núcleo equivalente (nucleóide) em vez de um núcleo. Esta molécula ‘nucleotípica’ está localizada no citoplasma e compreende o DNA, que inclui apenas um cromossomo e nenhum intrônomo.

Além disso, pode estar presente um plasmídeo (DNA circular, extracromossômico), que desempenha um papel especial no desenvolvimento de bactérias resistentes a antibióticos. O citoplasma é menos compartimentado e a cadeia respiratória está localizada especificamente na membrana do citoplasma.

Embora faltem as mitocôndrias, o aparelho de Golgi e o retículo endoplasmático, os ribossomos têm uma massa molecular de 70S para as subunidades de 50S e 30S. Bactérias como a Escherichia coli pertencem ao grupo dos procariotas.

Estas diferenças são tópicos comuns de exame em biologia e bioquímica.

Estrutura e função da membrana celular

A membrana celular, também chamada plasmalemma, envolve o citoplasma e serve como delimitação entre os espaços intra e extracelular. É composta por uma camada de fosfolípidos, sendo as partes hidrofílicas dos fosfolípidos direcionadas para o espaço intra e extracelular. As partes hidrofóbicas estão centralmente localizadas dentro da membrana.

Image: Fospolipídeo Bilayer. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

A glicocalyx periférica consiste em cadeias de açúcar (polissacarídeos) que estão covalentemente ligadas a proteínas de membrana (glicoproteínas) e lipídios de membrana (glicolípidos). O glicocalyx é individual e específico do tipo celular, isto significa, por exemplo, que determina as características do grupo sanguíneo dos eritrócitos.

Facilitado pela sua fluidez, a membrana celular é estável e flexível ao mesmo tempo. A sua fluidez pode mudar dependendo da temperatura e composição lipídica. A membrana é semipermeável (também chamada de permeabilidade seletiva), o que significa que ela é permeável a pequenas substâncias moleculares como a água, que são capazes de se difundir omoticamente. Substâncias de alta molecular como as proteínas requerem sistemas de transporte específicos para passar através da membrana celular.

A funcionalidade da membrana celular é determinada decisivamente pelas suas proteínas de membrana, que incluem: canais iônicos, moléculas de adesão celular, aquaporinas, bombas de membrana, proteínas portadoras e proteínas receptoras.

Imagem: Membrana Celular. Por philschatz, Licença: CC BY 2.0

Estrutura e Função do Núcleo

O núcleo (núcleo) da célula contém DNA, embalado em cromossomos, e pode variar em tamanho e estrutura dependendo de sua atividade. O carioplasma é separado do citoplasma pela membrana nuclear porosa, o cariolemma.

A membrana nuclear consiste de uma membrana nuclear externa e interna e o espaço no meio, que é a cisterna perinuclear. A membrana nuclear externa se funde com o retículo endoplasmático e é ocupada por ribossomos. A membrana nuclear interna está dentro da lamina nuclear de feltro (lamina nuclearis) que é formada por uma camada de 30-100 nm de filamentos intermediários.

Sobre 1000-4000 poros nucleares asseguram a troca de substâncias entre o citoplasma e o carioplasma, onde as moléculas < 5 kDa difundem-se livremente e moléculas maiores como as de proteínas passam através de ligação receptora.

O núcleo contém um pequeno núcleo esférico (nucleolus), do qual se origina o RNA ribossómico. A transcrição, um pré-requisito para tradução, e replicação, um pré-requisito para mitose, também são controlados pelo núcleo.

Imagem: O Núcleo. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

Funções do citoplasma

O citoplasma, também chamado citosol, é restrito pela membrana celular e representa a matriz fluida de cada célula. O citosqueletoesqueleto, organelas celulares e inclusões celulares estão embutidos no citoplasma.

Com a biossíntese da proteína do citoplasma, as correntes iônicas, assim como o transporte de vesículas, ocorrem ao redor do aparelho de Golgi, retículo endoplásmico e membrana celular. Constitui cerca de 50% do volume da célula e tem um pH de 7,2.

Classificação das organelas celulares

As organelas celulares estão embutidas no citoplasma e são divididas em:

• Membranas (retículo endoplasmático rugoso e liso, aparelho de Golgi, mitocôndrias, lisossomas, peroxissomas)
• Membranas (organelas não-membranas) como ribossomas ou centriolas

Estrutura e Função das Organelas Celulares Individuais

Imagem: Célula Humana Protópica. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

Retículo endoplasmático (ER)

O retículo endoplasmático refere-se a um sistema de membrana tubular. O retículo endoplasmático rugoso é ocupado por ribossomos e facilita a biossíntese proteica de endossomos, proteínas transmembranas, ou grânulos secretores. O retículo endoplásmico liso não é ocupado por ribossomos e tem as seguintes funções diversas:

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• Armazena e regula íons de cálcio no citoplasma de células musculares estriadas (aqui chamado retículo sarcoplasmático)
• Síntese de hormônios lipídicos e esteróides
• Detoxificação de substâncias endógenas e estranhas dentro dos hepatócitos

Imagem: Retículo Endoplásmico (ER). Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

Equipamento Golgi

O aparelho Golgi é composto de dictiosomas (uma pilha de 4-10 cavidades em forma de disco com membrana) e tem uma cis-região convexa e uma trans-região côncava que se enfrentam umas às outras. As proteínas produzidas no retículo endoplasmático rugoso, chegam ao cis-Golgi por meio de vesículas de transporte, após o que são modificadas e processadas (fosforilação, sulfatação, glicosilação) dentro do aparelho de Golgi e classificadas quanto ao seu destino.

No trans-sítio, ocorre a embalagem em grânulos ou vesículas secretas. Um transporte retrógrado (trans para cis) pode ser detectado para enzimas que são necessárias no retículo endoplasmático.

Iimagem: Aparelho Golgi. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

Mitochondria

Estas ‘centrais eléctricas’ da energia de fornecimento de células por meio de fosforilação oxidativa e são um tópico comum em exames. Excepto nos eritrócitos maduros, as mitocôndrias são encontradas em todas as células.

Mitocôndrias possuem 2 membranas, bem como um espaço intermembrana no meio. A membrana externa lisa contém poros, pelos quais as moléculas < 10 kDa podem passar, enquanto que a membrana interna é dobrada em grande parte para aumentar a área de superfície. Ela restringe o espaço da matriz e transporta enzimas da cadeia respiratória e síntese de ATP.

Basicamente, existem 2 tipos distintos da membrana interna devido à dobra:

1. Tipo de crista: em células metabolicamente ativas como cardiomiócitos
2. Tipo de tubo: em células produtoras de esteróides

Enzimas de β-oxidação e as do ciclo do ácido cítrico estão localizadas no espaço da matriz.

Mitocôndrias são semi-autônomas, pois têm seu próprio DNA circular (mtDNA). Como afirmado na teoria endossimbiótica, mitocôndrias são procariotas filogenéticas que são incorporadas em eucariotas no curso da simbiose.

Esta hipótese é ainda apoiada pelo fato das mitocôndrias possuírem ribossomos 70S (subunidades 50S e 30S) e pelo envolvimento da cardiolipina lipídica bacteriana no desenvolvimento da membrana interna.

Imagem: Mitocondrion. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

Lysosomas

Um pH ácido (4.5-5) assim como um alto conteúdo de hidrolases ácidas, proteases, lipases, enzimas de esterase, elastases, colagenases, e fosfatases ácidas, entre outras coisas, são as características dos lisossomas.

As suas principais características são a auto- e heterofagia, bem como a degradação de substâncias endógenas e estranhas. Quando um lisossoma primário (ainda inativo) se funde com as substâncias a serem degradadas, é referido como lisossoma secundário.

Peroxissomas

Image: Peroxisoma. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

Peroxisomas estão localizados principalmente no fígado e nos rins e contêm as enzimas peroxidase e catalase, pois servem para degradar os ácidos gordos por meio da oxidação. Durante este processo, o subproduto, o peróxido de hidrogênio, é produzido e pode levar a danos celulares. Portanto, ele deve ser degradado à água e oxigênio por meio de uma catalase.

Ribossomos

Ribossomos 80S eucarióticos são compostos por 2 subunidades (60S e 40S) consistindo de um terço de proteínas e dois terços de rRNA. Eles podem ser encontrados no citosol e ajudam na síntese de proteínas citoplasmáticas e nucleares ou podem ser ligados por membranas no retículo endoplasmático grosso para permitir a síntese de proteínas lisossômicas, bem como para permitir a exportação de proteínas ou proteínas de membrana.

Centrioles

Estas organelas celulares aparecem em forma cilíndrica e são compostas de microtubos. Um par de centríolos é disposto perpendicularmente a outro para formar o centrossoma. O centrossoma é o local de formação dos microtúbulos e também é chamado de MTOC (microtubular organizing center).

Cell inclusions

Cell inclusions are byproducts of metabolism, stored nutrients, accumulations of exogenous, or endogenous substances that are free within the cytoplasm. Estas incluem partículas de glicogênio, gotículas de gordura intracelular, estruturas celulares pigmentadas (hemossiderina, lipofuscina, pó de carbono) e partículas de vírus.

No caso de certas doenças, como hemocromatose ou doença de armazenamento de glicogênio, as inclusões celulares estão presentes em uma extensão patológica.

Componentes e funções do citoesqueleto

O citoesqueleto está localizado dentro do citoplasma e é responsável pela estabilização, transporte intracelular de substâncias, bem como a migração (lat.: migare=hiking) da célula. Esta rede tridimensional é gerada por microtúbulos, filamentos intermediários e filamentos de actina. Estes componentes são submetidos a constante montagem e desmontagem, a chamada polimerização e despolimerização.

Image: Os 3 componentes do Cytoskeleton. Por philschatz, Licença: CC BY 4.0

filamentos de actina (F-actin)

São os menores componentes do citoesqueleto com um diâmetro de 7 nm e também são chamados microfilamentos.

F-actin é composto de 2 cadeias de actina, enroladas helicoidalmente ao redor umas das outras, que são geradas pela polimerização de muitos monômeros de actina globular (G-actin). Em muitos casos – mas nem sempre – os filamentos de actina estão associados à miosina, a proteína motora do sistema de actina. Eles formam a base do mecanismo muscular de deslizamento do filamento.

Além disso, os filamentos de actina também têm funções estabilizadoras, uma vez que formam a estrutura básica dos microfilamentos ou o ponto de ancoragem dos desmosomas.

filamentos intermediários

Com um diâmetro de 10 nm, eles formam a estrutura de suporte passivo da célula. A expressão dos filamentos intermediários varia de acordo com o tipo de tecido, portanto, através de seus meios, a origem de um tumor maligno pode ser determinada, por exemplo:

Microtubos

Com um diâmetro de 25 nm, são os maiores componentes do citoesqueleto e são originários do centrossoma (ver acima). Eles são compostos por dímeros de citotecnia α- e β-tubulin dimers e são semelhantes em aparência a um cilindro oco, com uma extremidade carregada negativamente e a outra positivamente.

Microtubules determinam a localização das organelas celulares dentro da célula e formam uma rede de transferência de massa direta. São também as estruturas básicas da kinocilia e do aparelho do fuso durante a mitose e a meiose.

Estrutura e Função dos Contatos Celulares

Baseado nas funções dos 3 tipos de células, os contatos podem ser classificados como:

1. Contactos de comunicação
2. Contactos de adesão
3. Contactos de barreira como ligações impermeáveis

Contactos de comunicação

Incluem junções de fendas, também chamadas nexos (importantes questões de teste).

Consistem em proteínas transmembranas, chamadas connexina. Seis connexins formam um connexon e 2 connexons formam então um nexus. Eles permitem a comunicação eléctrica e metabólica entre 2 células adjacentes. Por exemplo, um número particularmente grande de junções de fendas é encontrado no disco intercalado do miocárdio.

Contactos de adesão-/aderência

Servem como âncoras mecânicas e consistem em 3 componentes essenciais: proteínas transmembrana, proteínas de placa e o citoesqueleto. Desmosomas podem ser encontrados entre células adjacentes como contato celular. Os hemidossomas, por outro lado, ligam a célula à matriz extracelular, criando um contacto célula-matriz.

A tabela seguinte mostra uma visão geral dos diferentes tipos de contactos de adesão, uma vez que são relevantes para o exame em histologia e bioquímica.

Contatos de barreira/fecho

São chamados de junções apertadas, zonula occludens, e são desenvolvidos pela fusão da membrana externa das células adjacentes. Assim, o espaço intracelular tem a forma de uma cinta e envolve esta área, de modo que o fluxo da molécula paracelular é dificultado (barreira de difusão). Nesta área, a oclusina e a claudina são importantes proteínas transmembranas.

Complexo conjuncional

Este complexo adesivo serve como uma barreira seletiva de permeabilidade e quando visto da camada apical à basal e consiste de zonula occludens, zonula adhaerens, e macula adhaerens.

Comunicação celular

Hormônios e transdução

Hormônios são mensageiros químicos que transferem informações de uma célula para outra. Estes compostos são produzidos por glândulas endócrinas, como as da hipófise e tiróide.

Visão geral de órgãos endócrinos e hormônios importantes

Os órgãos endócrinos produzem hormonas em resposta a sinais do ambiente externo, tais como a dor, pressão, calor e luz. Os hormônios também podem ser produzidos em resposta a sinais de dentro do corpo como os de fome.

• Após os hormônios serem produzidos, eles são secretados no sangue que os transporta para células em outras partes do corpo onde exercem seu efeito.
• As células alvo para estes hormônios têm receptores que permitem que eles respondam ao hormônio. Estes receptores são compostos por proteínas e geralmente estão localizados na membrana plasmática que é encontrada na superfície da célula, embora alguns também possam ser encontrados dentro da célula.
• Quando o hormônio atinge uma célula com seu receptor, ele se liga ao receptor e causa uma mudança conformacional. Isto significa que o receptor muda sua forma e limita sua capacidade de se ligar a outro hormônio.

A mudança conformacional também desencadeia uma série de reações dentro da célula, que são conhecidas como cascatas de transdução. Dependendo do hormônio e da célula específica com seu receptor, esta cadeia de eventos pode envolver a liberação de enzimas que trabalham juntas para gerar respostas.

Efeitos dos hormônios nas células-alvo

Estas respostas variam de divisão celular, motilidade celular, e morte celular. Elas também podem envolver mudanças nos canais iônicos que permitem ou restringem o movimento de certas moléculas nas células.

Outros efeitos da transdução do sinal hormonal incluem a absorção da glicose do sangue (insulina), aumento da pressão arterial e freqüência cardíaca (adrenalina), e regulação do ciclo menstrual (estrogênio e progesterona).

A transdução do sinal permite que a célula controle sua resposta ao hormônio e ao meio ambiente. Por ter muitos passos, os efeitos do hormônio também são amplificados.