4.4: O sistema endomembranar e as proteínas

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Habilidades para desenvolver

Liste os componentes do sistema endomembranar
Reconhecer a relação entre o sistema endomembranar e suas funções

O sistema endomembranar (endo = “dentro”) é um grupo de membranas e organelas (Figura\(\PageIndex{1}\)) em células eucarióticas que trabalham em conjunto para modificar, empacotar e transportar lipídios e proteínas. Inclui o envelope nuclear, os lisossomos e as vesículas, que já mencionamos, e o retículo endoplasmático e o aparelho de Golgi, que abordaremos em breve. Embora não esteja tecnicamente dentro da célula, a membrana plasmática está incluída no sistema endomembranoso porque, como você verá, ela interage com as outras organelas endomembranosas. O sistema endomembranar não inclui as membranas das mitocôndrias nem dos cloroplastos.

Conexão artística

A parte esquerda desta figura mostra o ER áspero com uma proteína de membrana integral embutida nele. A parte da proteína voltada para o interior do pronto-socorro tem um carboidrato ligado a ela. A proteína é mostrada saindo do pronto-socorro em uma vesícula que se funde com o lado cis do aparelho de Golgi. O aparelho de Golgi consiste em várias camadas de membranas, chamadas cisternas. À medida que a proteína passa pelas cisternas, ela é modificada ainda mais pela adição de mais carboidratos. Eventualmente, ele deixa a face trans do Golgi em uma vesícula. A vesícula se funde com a membrana celular, de forma que o carboidrato que estava no interior da vesícula agora fica voltado para a parte externa da membrana. Ao mesmo tempo, o conteúdo da vesícula é ejetado da célula. — Figura\(\PageIndex{1}\): As proteínas de membrana e secreção são sintetizadas no retículo endoplasmático rugoso (RER). Às vezes, o RER também modifica as proteínas. Nesta ilustração, uma proteína de membrana integral (verde) no ER é modificada pela ligação de um carboidrato (roxo). Vesículas com o botão proteico integral do pronto-socorro se fundem com a face cis do aparelho de Golgi. À medida que a proteína passa pelas cisternas de Golgi, ela é modificada pela adição de mais carboidratos. Depois que sua síntese é concluída, ela sai como proteína de membrana integral da vesícula que brota da face trans de Golgi e quando a vesícula se funde com a membrana celular, a proteína se torna parte integrante dessa membrana celular. (crédito: modificação da obra de Magnus Manske)

Se uma proteína de membrana periférica fosse sintetizada no lúmen (dentro) do pronto-socorro, ela acabaria na parte interna ou externa da membrana plasmática?

O retículo endoplasmático

O retículo endoplasmático (ER) (Figura\(\PageIndex{1}\)) é uma série de sacos e túbulos membranosos interconectados que modificam coletivamente proteínas e sintetizam lipídios. No entanto, essas duas funções são executadas em áreas separadas do ER: o ER áspero e o ER suave, respectivamente.

A porção oca dos túbulos ER é chamada de lúmen ou espaço cisternal. A membrana do ER, que é uma bicamada fosfolipídica incorporada com proteínas, é contínua com o envelope nuclear.

ER áspero

O retículo endoplasmático rugoso (RER) tem esse nome porque os ribossomos ligados à sua superfície citoplasmática lhe conferem uma aparência cravejada quando vistos através de um microscópio eletrônico (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Nesta micrografia eletrônica de transmissão, o núcleo é a característica mais proeminente. O nucléolo é uma região circular escura dentro do núcleo. Um poro nuclear pode ser visto no envelope nuclear que envolve o núcleo. O retículo endoplasmático rugoso envolve o núcleo, aparecendo como muitas camadas de membranas. Uma mitocôndria fica entre as camadas da membrana ER. — Figura\(\PageIndex{2}\): Esta micrografia eletrônica de transmissão mostra o retículo endoplasmático rugoso e outras organelas em uma célula pancreática. (crédito: modificação da obra de Louisa Howard)

Os ribossomos transferem suas proteínas recém-sintetizadas para o lúmen do RER, onde sofrem modificações estruturais, como dobramento ou aquisição de cadeias laterais. Essas proteínas modificadas serão incorporadas às membranas celulares - a membrana do pronto-socorro ou as de outras organelas - ou secretadas pela célula (como hormônios proteicos, enzimas). O RER também produz fosfolipídios para as membranas celulares.

Se os fosfolipídios ou proteínas modificadas não estiverem destinados a permanecer no RER, eles alcançarão seus destinos por meio de vesículas de transporte que brotam da membrana do RER (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Como o RER está envolvido na modificação de proteínas (como enzimas, por exemplo) que serão secretadas pela célula, você estaria correto ao supor que o RER é abundante em células que secretam proteínas. É o caso das células do fígado, por exemplo.

ER suave

O retículo endoplasmático liso (SER) é contínuo com o RER, mas tem poucos ou nenhum ribossomo em sua superfície citoplasmática (Figura\(\PageIndex{1}\)). As funções do SER incluem síntese de carboidratos, lipídios e hormônios esteróides; desintoxicação de medicamentos e venenos; e armazenamento de íons de cálcio.

Nas células musculares, um SER especializado chamado retículo sarcoplasmático é responsável pelo armazenamento dos íons de cálcio necessários para desencadear as contrações coordenadas das células musculares.

Link para o aprendizado

Vídeo\(\PageIndex{1}\): Você pode assistir a uma excelente animação do sistema endomembranar aqui.

Conexão de carreira: cardiologista

As doenças cardíacas são a principal causa de morte nos Estados Unidos. Isso se deve principalmente ao nosso estilo de vida sedentário e às nossas dietas com alto teor de gordura trans.

A insuficiência cardíaca é apenas uma das muitas doenças cardíacas incapacitantes. A insuficiência cardíaca não significa que o coração tenha parado de funcionar. Pelo contrário, significa que o coração não consegue bombear com força suficiente para transportar sangue oxigenado para todos os órgãos vitais. Se não for tratada, a insuficiência cardíaca pode levar à insuficiência renal e à falência de outros órgãos.

A parede do coração é composta por tecido muscular cardíaco. A insuficiência cardíaca ocorre quando as retículas endoplasmáticas das células musculares cardíacas não funcionam adequadamente. Como resultado, um número insuficiente de íons de cálcio está disponível para desencadear uma força contrátil suficiente.

Cardiologistas (cardi- = “coração”; -ólogo = “aquele que estuda”) são médicos especializados no tratamento de doenças cardíacas, incluindo insuficiência cardíaca. Os cardiologistas podem fazer o diagnóstico de insuficiência cardíaca por meio de exame físico, resultados de um eletrocardiograma (ECG, um teste que mede a atividade elétrica do coração), uma radiografia de tórax para verificar se o coração está aumentado e outros exames. Se for diagnosticada insuficiência cardíaca, o cardiologista normalmente prescreverá medicamentos apropriados e recomendará uma redução na ingestão de sal de cozinha e um programa supervisionado de exercícios.

O Aparelho de Golgi

Já mencionamos que as vesículas podem brotar do pronto-socorro e transportar seu conteúdo para outro lugar, mas para onde vão as vesículas? Antes de chegar ao destino final, os lipídios ou proteínas das vesículas transportadoras ainda precisam ser separados, embalados e etiquetados para que acabem no lugar certo. A classificação, marcação, embalagem e distribuição de lipídios e proteínas ocorrem no aparelho de Golgi (também chamado de corpo de Golgi), uma série de membranas achatadas (Figura\(\PageIndex{3}\)).

O lado receptor do aparelho de Golgi é chamado de face cis. O lado oposto é chamado de face trans. As vesículas de transporte que se formaram a partir do ER viajam até a face cis, se fundem com ela e esvaziam seu conteúdo no lúmen do aparelho de Golgi. À medida que as proteínas e os lipídios viajam pelo Golgi, eles passam por mais modificações que permitem que sejam classificados. A modificação mais frequente é a adição de cadeias curtas de moléculas de açúcar. Essas proteínas e lipídios recém-modificados são então marcados com grupos fosfato ou outras moléculas pequenas para que possam ser encaminhados para seus destinos adequados.

Finalmente, as proteínas modificadas e marcadas são embaladas em vesículas secretoras que brotam da face trans do Golgi. Enquanto algumas dessas vesículas depositam seu conteúdo em outras partes da célula onde serão usadas, outras vesículas secretoras se fundem com a membrana plasmática e liberam seu conteúdo para fora da célula.

Em outro exemplo de função que segue a forma, células que realizam uma grande quantidade de atividade secretora (como células das glândulas salivares que secretam enzimas digestivas ou células do sistema imunológico que secretam anticorpos) têm uma abundância de Golgi.

Nas células vegetais, o aparelho de Golgi tem o papel adicional de sintetizar polissacarídeos, alguns dos quais são incorporados à parede celular e outros usados em outras partes da célula.

Conexão de carreira: Geneticista

Muitas doenças surgem de mutações genéticas que impedem a síntese de proteínas críticas. Uma dessas doenças é a doença de Lowe (também chamada de síndrome oculocerebrorrenal, porque afeta os olhos, o cérebro e os rins). Na doença de Lowe, há uma deficiência em uma enzima localizada no aparelho de Golgi. Crianças com doença de Lowe nascem com catarata, geralmente desenvolvem doença renal após o primeiro ano de vida e podem ter habilidades mentais prejudicadas.

A doença de Lowe é uma doença genética causada por uma mutação no cromossomo X. O cromossomo X é um dos dois cromossomos sexuais humanos, pois esses cromossomos determinam o sexo de uma pessoa. As mulheres possuem dois cromossomos X, enquanto os homens possuem um cromossomo X e um Y. Nas mulheres, os genes de apenas um dos dois cromossomos X são expressos. Portanto, mulheres portadoras do gene da doença de Lowe em um de seus cromossomos X têm 50/50 de chance de ter a doença. No entanto, os homens têm apenas um cromossomo X e os genes desse cromossomo são sempre expressos. Portanto, os homens sempre terão a doença de Lowe se o cromossomo X for portador do gene da doença de Lowe. A localização do gene mutado, bem como a localização de muitas outras mutações que causam doenças genéticas, já foi identificada. Por meio de testes pré-natais, a mulher pode descobrir se o feto que ela carrega pode estar com uma das várias doenças genéticas.

Os geneticistas analisam os resultados dos testes genéticos pré-natais e podem aconselhar mulheres grávidas sobre as opções disponíveis. Eles também podem realizar pesquisas genéticas que levam a novos medicamentos ou alimentos, ou realizar análises de DNA usadas em investigações forenses.

Lisossomos

Além de seu papel como componente digestivo e instalação de reciclagem de organelas de células animais, os lisossomos são considerados partes do sistema endomembranar. Os lisossomos também usam suas enzimas hidrolíticas para destruir patógenos (organismos causadores de doenças) que podem entrar na célula. Um bom exemplo disso ocorre em um grupo de glóbulos brancos chamados macrófagos, que fazem parte do sistema imunológico do seu corpo. Em um processo conhecido como fagocitose ou endocitose, uma seção da membrana plasmática do macrófago invagina (se dobra) e engolfa um patógeno. A seção invaginada, com o patógeno interno, então se afasta da membrana plasmática e se torna uma vesícula. A vesícula se funde com um lisossomo. As enzimas hidrolíticas do lisossomo então destroem o patógeno (Figura\(\PageIndex{4}\)).

Nesta ilustração, um macrófago consumindo uma bactéria é mostrado. Como a bactéria é consumida pela endocitose, ela é encapsulada em uma vesícula. Um lisossomo se funde com a vesícula e as enzimas digestivas dentro do lisossomo digerem a bactéria. O material não digerido é expelido do macrófago por meio do processo de exocitose. — Figura\(\PageIndex{4}\): Um macrófago engolfou (fagocitou) uma bactéria potencialmente patogênica e depois se funde com lisossomos dentro da célula para destruir o patógeno. Outras organelas estão presentes na célula, mas por simplicidade não são mostradas.

Resumo

O sistema endomembranar inclui o envelope nuclear, os lisossomos, as vesículas, o aparelho ER e o aparelho de Golgi, bem como a membrana plasmática. Esses componentes celulares trabalham juntos para modificar, empacotar, identificar e transportar proteínas e lipídios que formam as membranas.

O RER modifica as proteínas e sintetiza os fosfolipídios usados nas membranas celulares. O SER sintetiza carboidratos, lipídios e hormônios esteróides; se dedica à desintoxicação de medicamentos e venenos; e armazena íons de cálcio. A classificação, marcação, embalagem e distribuição de lipídios e proteínas ocorrem no aparelho de Golgi. Os lisossomos são criados pelo brotamento das membranas do RER e do Golgi. Os lisossomos digerem macromoléculas, reciclam organelas desgastadas e destroem patógenos.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{1}\): Se uma proteína de membrana periférica fosse sintetizada no lúmen (dentro) do pronto-socorro, ela acabaria na parte interna ou externa da membrana plasmática?

Resposta: Isso acabaria do lado de fora. Depois que a vesícula passa pelo aparelho de Golgi e se funde com a membrana plasmática, ela vira do avesso.

Glossário

sistema endomembranar: grupo de organelas e membranas em células eucarióticas que trabalham juntas modificando, embalando e transportando lipídios e proteínas

retículo endoplasmático (ER): série de estruturas membranosas interconectadas dentro de células eucarióticas que modificam coletivamente proteínas e sintetizam lipídios

Aparelho de Golgi: organela eucariótica composta por uma série de membranas empilhadas que classifica, identifica e empacota lipídios e proteínas para distribuição

retículo endoplasmático rugoso (RER): região do retículo endoplasmático que está repleta de ribossomos e se envolve na modificação de proteínas e síntese de fosfolipídios

retículo endoplasmático liso (SER): região do retículo endoplasmático que tem poucos ou nenhum ribossomo em sua superfície citoplasmática e sintetiza carboidratos, lipídios e hormônios esteróides; desintoxica certos produtos químicos (como pesticidas, conservantes, medicamentos e poluentes ambientais) e armazena íons de cálcio