Introdução à Biologia/Célula/Estrutura e organização da célula/Membrana plasmática

A membrana plasmática ou membrana celular ou plasmalema é uma estrutura fina que envolve todas as células vivas, tanto as procarióticas como as eucarióticas. Ela estabelece a fronteira entre o meio intracelular (interior da célula) e o ambiente extracelular (exterior). A membrana celular não é apenas uma barreira, mas também uma “porta” seletiva, permitindo que a célula capture, para seu interior, apenas os elementos do meio exterior que lhe são necessários. Além disso, permite que a célula libere algumas substâncias do seu interior para o exterior, conforme sua necessidade. Essa capacidade da membrana em controlar a entrada e a saída de determinadas substâncias da célula, chama-se permeabilidade seletiva, sendo essa propriedade fundamental para manter intacta a composição química do interior da célula. Outra propriedade da membrana plasmática é permitir que a célula relacione-se com exterior, reconhecendo substâncias químicas do meio externo através da interação destas substâncias com proteínas presentes na membrana celular. Por exemplo, quando a taxa de glicose no sangue está elevada, as moléculas de glicose interagem com proteínas presentes na membrana plasmática das células do pâncreas, desencadeando uma série de reações químicas no interior da dessas células, culminando na produção de insulina. A insulina é liberada do interior da célula para o meio externo através da membrana plasmática. Assim, podemos descrever as principais funções da membrana celular:

• Envolver a célula, separando o meio intracelular do extracelular
• Garantir a manutenção da composição química da célula através da permeabilidade seletiva
• Permitir que a célula relacione-se com o meio externo
• Ao regular sua composição química e separar a célula do meio externo, a membrana celular deu à célula a propriedade da individualidade, ou seja, permitiu reconhecer a célula como um indivíduo, uma unidade capaz de ter seu próprio metabolismo e reproduzir-se. Em última análise, foi a membrana celular que deu a célula o título de menor unidade viva.

Estrutura e composição química

Estrutura da membrana plasmática.

Esquema representando o aspecto da unidade de membrana conforme visto no microscópio eletrônico (direita). Fosfolipídeos da membrana (esquerda).

Todas as células apresentam membrana celular com estrutura e composição química é muito semelhante. Além disso, nas células eucariontes, o núcleo, as mitocôndrias e os cloroplastos, também estão envoltos por uma membrana, semelhante à membrana celular. A membrana plasmática é formada basicamente por fosfolipídios, proteínas e carboidratos, no entanto a proporção entre essas substâncias pode variar conforme o tipo de membrana, por exemplo, nas células nervosas, as membranas de mielina contêm 80% de lipídios, pois possuem a função de isolante elétrico. Já nas mitocôndrias, a membrana possui apenas 25% de lipídios, predominando as proteínas na sua constituição.

A membrana plasmática é formada por duas camadas de fosfolipídios com moléculas de proteínas inseridas nessas camadas. Os fosfolipídios são moléculas constituídas por duas cadeias longas de ácidos graxos e um grupo fosfato. Isso permite dividir os fosfolipídios em duas regiões, uma região hidrofílica onde se localiza o fosfato, e uma região hidrofóbica, onde se localizam as duas cadeias de ácidos graxos. Podemos representar a molécula de fosfolipídios com uma "cabeça", que contém o fósforo, e uma região formada por duas "caudas", constituída pelas duas longas cadeias de ácidos graxos. A região da "cabeça" é hidrofílica, ou seja, atrai a água. Já a região da "cauda" é hidrofóbica, ou seja, repele a água. As moléculas das duas camadas de fosfolipídios da membrana estão organizadas de tal forma que suas cabeças hidrofílicas fiquem voltadas para o meio extracelular ou para o citoplasma. Já as caudas hidrofóbicas estão voltadas umas para as outras, constituindo a parte interna da membrana celular. Assim, podemos dizer que a membrana plasmática é formada por três regiões: uma camada central hidrofóbica e duas camadas periféricas hidrofílicas (uma voltada para o meio externo e outra voltada para o meio intracelular).

Essas duas camadas de fosfolipídios são fluidas, com consistência semelhante ao óleo, permitindo, dessa forma, que os fosfolipídios e as proteínas mudem de posição continuamente. Assim, diz se que a membrana plasmática é um mosaico fluido, sendo essa teoria proposta inicialmente por Singer e Nicholson em 1972. Ao microscópio eletrônico a membrana plasmática aparece como duas linhas escuras separadas por uma faixa central clara, com uma espessura de 7 a 10 nanômetros. Esta estrutura trilaminar é denominada unidade de membrana e é visível em todas as membranas celulares. A parte escura representa as extremidades hidrofílicas ou polares, já a porção clara, representa as cadeias longas de ácidos graxos, ou seja, a porção hidrofóbica ou apolar. Em média, a lâmina clara central mede cerca de 3,5 nanômetros, enquanto que as lâminas escuram tem espessura média de 2,0 nanômetro cada uma. A unidade de membrana está presente em todas as células, mas ela varia consideravelmente sua composição química e funções biológicas, mesmo em uma única célula. Por exemplo, a membrana que recobre as microvilosidades das células intestinais possui enzimas digestivas que não são encontradas em outros locais da membrana dessas células.

Lipídios

Estrutura química da fosfatidilcolina, um fosfolipídeo presente nas membranas celulares.

Dentre os principais lipídios encontrados na membrana plasmática temos:

• 1 - Fosfolipídios: lipídios de cadeia longa que possuem o radical fosfato em sua molécula. Os fosfolipídios mais abundantes são os esfingolipídios e os fosfoglicerídios, este último grupo formado pelos seguintes compostos: fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e fosfatidiltreonina.
• 2 - Esteróis: lipídios de cadeia longa, formados por quatro anéis hidrocarbonados fundidos entre si. O colesterol é o esteróide presente nas membranas celulares dos animais. Nos vegetais o esteroide predominante é o estigmasterol e nos fungos o ergosterol.
• 3 - Glicolipídios: lipídios que possuem um carboidrato na sua molécula, com ou sem o radical fosfato, sendo o glicoesfingolipídio o mais abundante.

Conforme dito anteriormente os lipídios da membrana plasmática apresentam uma "cabeça" hidrofílica e uma "cauda" hidrofóbica. Todas as moléculas que possuem uma extremidade hidrofílica (solúvel em água) e outra hidrofóbica (insolúvel em água) recebem o nome de moléculas anfipáticas. Os lipídios estruturais da membrana plasmática possuem uma estrutura química semelhante. Os mais abundantes dos lipídios de membrana são os fosfoglicerídios, que apresentam o glicerol como estrutura base, ligado a duas cadeias de ácidos graxos e um grupo fosfato. No grupo fosfato liga-se um grupamento alcoólico, que dará origem aos diferentes tipos de fosfoglicerídios. Quando o grupamento alcoólico é a colina, teremos a fosfatidilcolina; quando for a serina, teremos a fosfatidilserina; quando for a etanolamina, teremos a fosfatidiletanolamina. Já os esfingolipídios possuem como estrutura básica a esfingosina, ligada a apenas uma cadeia de ácidos graxos e um grupo fosfato. No grupo fosfato liga-se a colina, dando origem a esfingomielina. Os glicolipídios possuem estrutura básica formada pela esfingosina ligada a uma cadeia de ácidos graxos e a um carboidrato. Por apresentarem a esfingosina em sua estrutura, os glicolipídios também são chamados de glicoesfingolipídios, funcionando como sítios de reconhecimento da célula. Por exemplo, na membrana das hemácias de humanos, o tipo de carboidrato dos glicolipídios irá determinar se o indivíduo será do grupo sanguíneo A, B, O ou AB. O colesterol é formado por quatro anéis hidrocarbonados fundidos entre si, constituindo o chamado núcleo esteroide, comum a todas as substâncias pertencentes ao grupo dos esteróis. O colesterol possui uma cadeia longa hidrocarbonada hidrofóbica, além de uma porção hidrofílica formada por um grupo hidroxila. Quanto mais esteróis na membrana, mais rígida ela fica.

Proteínas

Esquema mostrando as proteínas integrais e periféricas da membrana plasmática.

Na membrana plasmática também encontramos inúmeras proteínas mergulhadas na dupla camada de lipídios, as quais, devido a fluidez da membrana, deslocam-se facilmente pela membrana. As proteínas também possuem regiões hidrofílicas e hidrofóbicas, de tal forma que a região hidrofóbica das proteínas ficam no mesmo nível da região hidrofóbica dos lipídios. O mesmo ocorre com as regiões hidrofílicas dos lipídios e das proteínas. Há diversos tipos de proteínas inseridas na membrana, cada uma com uma função específica. Podemos dividir as proteínas de membrana em dois grandes grupos:

• 1 - Proteínas integrais ou intrínsecas: prendem-se à membrana através da interação entre sua região hidrofóbica com a região hidrofóbica dos lipídios, deixando exposta sua região hidrofílica ao meio externo ou ao citoplasma. Estão totalmente inseridas dentro da membrana. Quando uma proteína intrínseca atravessa toda a espessura da membrana, expondo sua porção hidrofílica tanto no meio externo quanto no citoplasma, dizemos que esse é uma proteína transmembrana. Existem proteínas intrínsecas que atravessam várias vezes a membrana plasmática e por isso são denominadas de proteínas transmembrana de passagem múltipla. Aproximadamente 70% das proteínas da membrana pertencem ao grupo da integrais, com diversas funções como: proteínas transportadoras, receptores, marcadores de membrana e enzimas da membrana.
• 2 - Proteínas periféricas ou extrínsecas: prendem-se à membrana através da interação de sua região hidrofílica com a região hidrofílica dos lipídios. Não estão totalmente inseridas dentro da membrana, ficando presas na face hidrofílica da camada lipídica ou das proteínas integrais da membrana. Essas proteínas podem se fixar tanto na face externa (voltada para o meio extracelular) da membrana quanto na face interna (voltada para o citoplasma).

Existem proteínas da membrana associadas a cadeias de carboidrato que se estendem para o meio exterior, formando as chamadas glicoproteínas. Essas proteínas são específicas para cada tipo de célula e funcionam como marcadores de membrana, permitindo, por exemplo, que células do sistema imune reconheçam quais são as células próprias e quais são as células estranhas, como é o caso de bactérias ou células de órgão transplantados. Nesses casos, o sistema imune é capaz de desencadear uma sérias de eventos para destruir a bactéria invasora ou desencadear a rejeição de um órgão transplantado. Como visto anteriormente, os glicolipídios também têm função de marcadores de membrana.

Funções das proteínas de membrana

• 1- Proteínas transportadoras: promovem a entrada ou saída de substâncias através da membrana plasmática. A substância em questão liga-se a proteínas transportadora, induzindo uma mudança de sua estrutura espacial, permitindo a passagem dessa substância através da membrana. Algumas vezes ocorre o consumo de energia pra que esse processo possa ocorrer.
• 2 - Porinas ou proteínas canal: Sua conformação espacial forma verdadeiro canais por onde substâncias podem atravessar a membrana. Por exemplo, nas células renais, existe uma porina chamada de aquaporina, que permite a passagem de água através da célula.
• 3 - Receptores de membrana: Diversas substâncias ligam-se aos seus receptores como se fossem chave e fechadura. Existem receptores específicos para substâncias específicas. Uma vez ligada na proteína receptora, a substância promove uma série de reações químicas que serão transmitidas para o interior da célula. As proteínas receptoras são sítio de ligação de vários hormônios e medicamentos. Por exemplo, o aumento da glicose no sangue, estimulas receptores específicas nas células do pâncreas, fazendo-as secretarem insulina.
• 4 - Marcadores de membrana: Como já comentado anteriormente, muitas glicoproteínas (e também glicolipídios) funciona com marcadores celulares, ou seja, são verdadeiros documentos de identificação celular. Em exemplo é o complexo principal de histocompatibilidade, que permite ao sistema imune reconhecer célula próprias e células estranhas ao organismo.
• 5 - Enzimas: Proteínas de membrana também funcionam como enzimas, catalisando, ou seja, aumentando a velocidade de reações químicas que acontecem na membrana celular.

Carboidratos

A membrana plasmática apresenta na sua face externa, voltada para o meio extracelular, uma fina camada de carboidratos chamada de glicocálice. O glicocálice é formado principalmente pelas cadeias glicídicas (carboidratos) dos glicolipídios e das glicoproteínas, além de glicoproteínas sintetizadas pela célula e secretadas através da membrana, chamadas de proteoglicanas. É uma estrutura bastante comum nas células animais sendo constantemente renovado pela síntese de novas cadeias glicídicas. Como dito anteriormente, os carboidratos são encontrados na face externa da membrana plasmática, em contato com o meio extracelular; reforçando que os dois folhetos da bicamada lipídica da membrana são diferentes em sua composição. Várias são as funções do glicocálice: protege a célula contra agressões físicas e químicas, retém nutrientes e enzimas e participa do reconhecimento intercelular, uma vez que diferentes células possuem glicocálices com composição química diferente.

Estrutura completa da membrana plasmática.

Transporte de substâncias através da membrana

Para as diferentes substâncias entrarem ou saírem da célula, é necessário que elas atravessem a membrana celular. O transporte de substâncias através da membrana permite a entrada de nutrientes na célula, a saída de metabólitos e a secreção de substâncias produzidas no interior da célula, como por exemplo a insulina, que é produzida pelas células do pâncreas e posteriormente secretada para o meio externo quando o nível de glicose no sangue está alto. A capacidade de permitir o transporte de substâncias faz da membrana plasmática uma importante estrutura reguladora da composição química da célula, uma vez que ao eliminar as substâncias indesejadas e as que estão em excesso, garante a constância química e o equilíbrio meio interno da célula.

Há diversas maneiras pela qual as substâncias podem atravessar a membrana celular. Algumas substâncias atravessam livremente a membrana plasmática, outras atravessam por meio de poros proteicos e há aquelas que movem-se através da membrana com a ajuda de proteínas transportadoras. Esses processos permitem o transporte de íons e pequenas moléculas, entretanto, a membrana é capaz de transportar de uma só vez, grande quantidade de macromoléculas ou pequenas partículas, por meio de modificações morfológicas da membrana, como será discutido mais adiante.

O transporte de substâncias através da membrana pode ser divido de acordo com o gasto energético necessário para sua realização. Quando o transporte consome energia da célula, dizemos que se trata de um transporte ativo. Quando a movimentação de substâncias não consome energia da célula, dizemos que é um transporte passivo. Outra divisão do transporte de substâncias pela membrana é pela formação ou não de vesículas na membrana, possibilitando que a célula transporte uma maior quantidade de substâncias como macromoléculas e até outros microrganismos como bactérias. Esse tipo de transporte que ocorre em bloco, permite a movimentação de grande quantidade de substâncias através da membrana e por isso recebe o nome de transporte em quantidade. Assim, podemos classificar o transporte através da membrana da seguinte forma:

Tipo de transporte	Gasto de energia	Formação de vesículas
Difusão simples	Não	Não
Osmose	Não	Não
Difusão facilitada	Não	Não
Transporte contra gradiente eletroquímico	Sim	Não
Endocitose	Sim	Sim
Exocitose	Sim	Sim

Difusão simples

Exemplo de difusão de um pigmento violeta em um recipiente com água.

A membrana plasmática é altamente permeável à várias substâncias, com por exemplo: água, oxigênio, gás carbônico e substâncias solúveis em lipídios (hormônios esteroides, alguns anestésicos). Por isso, o movimentos dessas substâncias através da membrana depende apenas da sua concentração dentro e fora da célula. Por definição, difusão é um processo físico, onde as partículas movem-se do meio com maior concentração para o meio com menor concentração, até que o sistema entre em equilíbrio e a concentração da substância fique constante. A difusão ocorre devido o movimento aleatórios das moléculas, fruto da energia cinética que possuem. Estes movimentos fazem com que, do ponto de vista macroscópico, as partículas passem das zonas concentração mais elevada para zonas de baixa concentração. Considere um recipiente com água, no qual é adicionado um pequena quantidade de corante cor violeta. O movimento das moléculas de corante faz com que estas se espalhem (ou se difundam) do ponto de maior concentração para o de menor, até que a solução fique com uma cor homogênea.

Um clássico exemplo de difusão simples pela membrana celular é o oxigênio e o gás carbônico. No interior das células, as mitocôndrias utilizam o oxigênio para produzir energia e produzem gás carbônico neste processo. Portanto, concluímos que no interior da célula, a concentração de oxigênio tende a diminuir e a de gás carbônico tende a aumentar. Como no meio externo a concentração desses gases tende a ser constante, cria-se uma diferença de contração, também chamada de gradiente de concentração, entre o meio intracelular e extracelular. Dessa forma, o oxigênio difunde-se para dentro da célula e o gás carbônico difunde-se para fora da célula.

A difusão não requer gasto de energia e por isso é um tipo de transporte passivo. Vale lembrar que na difusão, para ocorrer o transporte de substâncias, deve existir um gradiente de concentração (diferença de concentração), onde a substância migra do lado de maior concentração para o de menor concentração. O processo de difusão simples ocorre pela passagem da substância diretamente pela membrana ou por um poro proteico, como é o caso de alguns íons. Nas células dos túbulos renais de humanos, existe os canais de sódio chamados ENaC, que aumentam a difusão de sódio pela membrana celular.

Osmose

Esquema mostrando o processo de osmose.

A osmose é o nome dado ao movimento da água entre meios com concentrações diferentes de solutos, separados por uma membrana semipermeável. Imagine um recipiente dividido ao meio por uma membrana semipermeável, ou seja, que permite a passagem de água através dela mas não permite a passagem de solutos. Colocamos água pura em uma das metades do recipiente e na outra colocamos uma solução com água e sacarose (açúcar de cozinha) diluída. Dessa forma, teremos dois compartimentos com concentração de solutos diferentes: um compartimento somente com água e outro com água e açúcar diluído. Nessa situação a água irá passar da região com água pura para a região onde o açúcar está diluído na água. Ou seja, a água irá passar do lado onde ela esta em maior concentração para o lado onde ele está em menor concentração. Dito isso, concluímos que a osmose é um tipo de difusão simples da água, através de uma membrana semipermeável. A passagem da água ocorre devido aos movimentos aleatórios de suas moléculas e não porque ela é “atraída pela solução com sacarose”. Existe uma maior quantidade de moléculas de água no compartimento com água pura do que no compartimento com água e sacarose, e, devido a energia cinética e ao movimento aleatório de suas moléculas, há uma probabilidade maior da água passar do meio onde ela está em maior quantidade (ou concentração) para o meio onde ele está em menor quantidade. Dessa forma, o resultado final é a passagem de água em direção à solução contendo sacarose. Por conta dos movimentos aleatórios da água, há também passagem de suas moléculas do meio de sacarose para o meio com água pura, porém, como dito anteriormente, a maior quantidade moléculas de água no compartimento com água pura, faz com que o resultado final seja a passagem de água do meio com água pura para o meio com sacarose. Vale lembrar que estamos falando da concentração da água, se considerarmos a concentração do soluto, podemos dizer que a água passou da região menos concentrada em sacarose para a mais concentrada em sacarose.

Efeito da osmose quando uma célula do sangue (hemácia) é colocada em uma solução hipertônica, isotônica e hipotônica, respectivamente.

Um conceito importante em biologia é a pressão osmótica. Pressão osmótica pode ser definida, simplificadamente, como a força com que a água move-se para a solução com mais soluto. No exemplo anterior, se aumentarmos a quantidade de soluto na solução com sacarose, mais água irá passar para o recipiente com sacarose, ou seja, maior será a força com que a água se move da solução de água pura para a solução de sacarose. Em outras palavras, quanto aumentamos a concentração de solutos de uma solução, estamos aumentando também a pressão osmótica dessa solução, ou seja, estamos aumentando a força com que a água irá se mover para esta solução. Podemos concluir disso tudo que a água irá mover-se da solução com menor pressão osmótica para a solução com maior pressão osmótica. Vemos que quanto maior a quantidade de soluto dissolvida numa solução, maior será sua pressão osmótica e maior será sua capacidade de "atrair" água de outra solução. Dito isso, vale lembrar que a quantidade de soluto numa solução recebe o nome de osmolaridade, expressa em unidades osmolares. Por exemplo, quando dizemos que uma solução tem 1 osmol (Osm), dizemos que há 1 mol de soluto (6 x 10²³ partículas) dissolvido nessa solução. No caso de soluções mias diluídas, pode-se usar a unidade miliosmol (mOsm), que significa que na solução existe 0,001 mol de soluto (0,006 x 10²³ partículas) dissolvido na solução. Fica claro que o valor da pressão osmótica de uma solução pode ser escrito na forma de unidade osmolar, por exemplo, uma solução com pressão osmótica de 300 mOsm tem pressão osmótica maior que uma solução de 100 mOsm, e por isso, quando essas duas soluções estão separadas por uma membrana permeável, a água irá passar da solução de 100 mOsm para a de 300 mOsm.

Efeito da osmose quando uma célula vegetal é colocada em uma solução hipertônica, isotônica e hipotônica, respectivamente.

A membrana plasmática é considerada semipermeável, pois, mesmo deixando passar solutos através dela, a permeabilidade à água é muito maior, permitindo que grande quantidade de água entre ou saia da célula com facilidade. Para exemplificar, coloquemos uma célula animal numa solução com alta concentração de qualquer soluto, por exemplo, cloreto de sódio. Nessa situação, a solução tem uma maior concentração de soluto (maior pressão osmótica) e uma menor concentração de água (solução hipertônica em relação à célula), portanto, a água move-se do interior da célula para a solução de cloreto de sódio, e, consequentemente, a célula perde água, ou seja, desidrata, ficando a célula com um menor volume e com sua membrana de aspecto enrugado. Agora, se colocarmos a célula em um meio com menor concentração de solutos (menor pressão osmótica) e maior concentração de água (solução hipotônica em relação à célula), a água irá mover-se da solução para o interior da célula, fazendo com que a mesma aumente seu volume, ficando cada vez mais inchada até chegar ao ponto onde ocorre ruptura da membrana; fenômeno esse chamado de lise celular. Quando colocamos a célula numa solução com concentração de solutos e água semelhantes ao seu interior (solução isotônica em relação à célula), a quantidade de água que entra e sai da célula será a mesma, permanecendo a célula com seu volume constante.

O fenômeno de osmose acima descrito em uma célula animal não ocorre da mesma maneira em uma célula vegetal por conta de duas estruturas nelas presentes: o vacúolo central e a parede celular. O vacúolo é um compartimento localizado na região central da célula, delimitado por uma membrana e que contém no seu interior uma solução com água e soluto chamada seiva vacuolar. O vacúolo central pode ocupar até 95% do volume de uma célula vegetal adulta. A parede celular é uma estrutura rígida que envolve a célula, fica localizada externamente à membrana plasmática e, dessa forma, limita o aumento de volume da célula. Quando a célula vegetal é colocada em uma solução hipertônica, a água sai da célula, principalmente do vacúolo central, o qual diminui de tamanho,arrastando consigo o citoplasma e a membrana plasmática. Nessa situação, dizemos que a célula sofreu o fenômeno de plasmólise, ou seja a célula encontra-se plasmolisada. Quando a célula é colocada em uma solução hipotônica, a água entra para o interior do vacúolo, o qual aumenta de volume. O aumento de volume do vacúolo central empurra o citoplasma contra a parede celular, fazendo nesta, uma pressão de dentro para fora. Entretanto, a célula não se rompe, pois a rigidez da parede celular impede que isso ocorra. Nesse caso dizemos que a célula sofreu o fenômeno de turgescência, ou seja, está turgida. Na solução isotônica, a quantidade de água que entra e sai da célula é a mesma, não havendo aumento de volume do vacúolo e, consequentemente, não ocorrendo nenhum tipo de pressão sobre a parede celular. Nesse caso, dizemos que a célula está flácida.

Difusão facilitada

Esquema mostrando o processo de difusão facilitada por uma proteína transportadora.Também está representado um poro proteíco (porina.)

Na difusão facilitada, o transporte de substâncias através da membrana também obedece um gradiente de concentração, ou seja, a substância passa do meio com maior concentração para o meio com menor concentração. Ao contrário da difusão simples é que, na difusão facilitada existem proteínas transportadoras na membrana que "facilitam" a passagem de substâncias, fazendo com que a velocidade de difusão ocorra muito mais rapidamente do que na difusão simples; daí o nome difusão facilitada. A molécula transportadora, também é chamada de permease, modifica sua estrutura ao se ligar à substância a ser transportada, permitindo que a mesma atrevesse a membrana plasmática sem gasto de energia. A proteína transportadora possui em sua estrutura um local específico onda a substância a ser transportado irá se acoplar, chamada sítio de ligação. Inicialmente, o sítio de ligação está exposto a um dos lados da membrana, permitindo a ligação da substância a ser transportada. Ao captar a substância, a proteína transportadora muda sua conformação, de modo que o sítio de ligação e a substância não fiquem expostos a nenhum lado da membrana. Chamamos esta fase de estado ocluído. A pós o estado ocluído, modificações adicionais na estrutura da proteína transportadora ocorrem, expondo a substância a ser transportada para o lado oposto da membrana. Após a dissociação da substância do sítio de ligação, a proteína transportadora sofre uma reorientação estrutural, voltando a sua conformação inicial, permitindo que o ciclo possa ser refeito.

O mecanismo de transporte na difusão facilitada obedece um padrão de acesso alternado: o sítio de ligação do substrato de uma proteína de transporte é alternadamente exposto a um ou a outro lado da membrana, de tal modo que, em nenhum momento, há um canal aberto e sem restrições através do transportador. Esse padrão de acesso alternado é o que diferencia as perméases das porinas, ou seja, das proteínas que formam poros. As porinas formam um canal aberto que comunica diretamente o meio extracelular com o meio intracelular, permitindo a passagem de água e íons de forma irrestrita. As perméases, como dito anteriormente, nunca deixa um canal aberto comunicando os dois lados da membrana. As porinas fazem parte do mecanismo da difusão simples, enquanto que as perméases, fazem parte do mecanismo da difusão facilitada

Uma consequência da difusão facilitada é fazer com que o transporte de substâncias ocorra numa velocidade maior do que na difusão simples, já que as proteínas transportadoras colocam mais moléculas para dentro da célula. No entanto, a velocidade de transporte é limitada ao número de transportadores, uma vez que, quando todos os transportadores estão ocupados, não há como aumentar mais a velocidade de transporte.

Glicose e aminoácidos são exemplos de substâncias que entram na célula pelo processo de difusão facilitada. Em resumo, podemos reconhecer as seguintes características da difusão facilitada:

• Não gasta energia
• Ocorre a favor de um gradiente de concentração, ou seja, a substância passa do lada de maior concentração para o lado de menor concentração
• Há participação de uma proteína transportadora (perméase) e não de uma porina
• A velocidade de transporte é maior que na difusão simples, porém limitada ao número de trasportadores na membrana

Transporte contra gradiente eletroquímico

Esquema mostrando o processo de transporte ativo pela bomba Na/K. Inicialmente a bomba está desfosforilada, com seus sítios de ligação voltados para o meio intracelular. Ocorre ligação de Na⁺ ao sei sítio específico. A bomba é fosforilada pelo ATB, mudando sua conformação espacial e expondo os sítios de ligação ao meio extracelular. O Na⁺ é liberado e dois íons K⁺ ligam-se à bomba. A bomba é desfosforilada, mudando novamente sua conformação, expondo novamente os sítios de ligação ao meio intracelular. nesta etapa o K⁺ é liberado e a bomba volta ao seu estado inicial, pronta para receber novamente o Na⁺ e reiniciar o processo.

Transporte ativo secundário através do trocador Na/aminoácido e cotransportador Na/glicose. Enquanto que um íon Na⁺ penetra dentro da célula, uma molécula de aminoácido é transportada para o meio extracelular (contratransporte). Uma molécula de glicose penetra na célula junto com um íon Na⁺ (cotransporte). A energia gasta no processo vem da bomba Na/K, que mantém a concentração de Na baixa no interior da célula, facilitando a entrada de Na pelos transportadores Na/glicose e Na/aminoácido. Tando a glicose como o aminoácido, pegam carona com sódio, num processo que não gasta energia diretamente mas precisa da ação da bomba Na/K (que consome energia). Assim, dizemos que o transporte da glicose e aminoácido acloplado ao Na, é um tipo de transporte ativo secundário, que utiliza energia indiretamente.

No transporte contra gradiente de concentração o movimento de substâncias através da membrana ocorre do meio com menor concentração para o meio com maior concentração, ao contrário do que ocorre no processo de difusão. Existe sempre a participação de uma proteína transportadora que garante o movimento de substâncias contra o gradiente de concentração, gastando energia durante esse processo. Pelo fato de haver consumo de energia, dizemos que se trata de um transporte ativo ou transporte "ladeira acima" justamente para representar o gasto de energia do processo. Nos casos em que a substância a ser transportada é um íon (por exemplo o sódio - Na⁺), o gradiente a ser vencido não é só o químico (concentração) mas também o elétrico. Por exemplo, a concentração do íon sódio (Na⁺) no interior da célula é menor que no seu exterior, portanto, há mais cargam positivas no meio extracelular que no meio intracelular, por isso, a tendência seria a entrada de Na⁺ na célula pelo gradiente químico (concentração) e elétrico (as cargas positivas repelem-se mutuamente, favorecendo a entrada no íon Na⁺ na célula). Para manter a concentração de sódio baixa dentro da célula, deve ser vencida uma barreira química e elétrica, ou seja, deve ser vencido um gradiente eletroquímico.

O transporte ativo ocorre através de mecanismos chamados bombas iônicas, sendo o mais famoso a bomba de sódio e potássio; uma proteína transmembrana, localizada na membrana plasmática de todas as células amimias, responsável por bombear o sódio para fora da célula e o potássio para dentro da célula. Na sua conformação inicial, a bomba Na/K está em seu estado desfosforilado, tem uma alta afinidade pelo sódio e exibe em sua porção intracelular três sítios para ligação de três íons Na⁺ e dois sítios para ligação de dois íons K⁺. Após a ligação dos três íons Na⁺ aos seus sítios específicos, a bomba Na/K sofre fosforilação, recebendo uma molécula de fosfato oriunda da quebra do ATP (trifosfato de adenosina) em ADP (difosfato de adenosina). A fosforilação é um processo que consome energia, fornecida justamente pela molécula de ATP. Após ser fosforilada, a bomba Na/K muda sua conformação espacial, expondo os sítios de ligação do sódio ao meio extracelular; além disso, a bomba fosforilada, diminui a afinidade pelo sódio e aumenta a afinidade pelo potássio. Assim, ocorre liberação do sódio para o meio extracelular e captação de dois íons K⁺ através de dois sítios específicos para esse soluto. O próximo passo a ocorrer é a desfosforilação da bomba, ou seja, a molécula de fosfato destaca-se da bomba Na/K, fazendo-a mudar novamente de conformação, deixando os sítios de ligação do K⁺ e do Na⁺ voltados para o meio intracelular. A desfosforilação deixa a bomba com menor afinidade ao K e maior afinidade ao Na, consequentemente, há liberação do potássio para o interior da célula e ligação de três novos íons ais seus sítios específicos, refazendo todo o processo acima descrito. Como resultado final do processo, três íons Na⁺ são transportados para fora da célula, dois íons K⁺ são transportados para dentro e uma molécula de ATP é consumida com gasto de energia.

A bomba Na/K é um exemplo de transporte que causa desequilíbrio de cargas elétricas pois há o movimento de cargas positivas na taxa de 3:2, gerando assim uma diferença de cargas entre a face interna e externa da membrana, com a face externa positiva uma vez que foram transportados 3 íons positivos para fora e apenas 2 íons positivos pra dentro. Esses tipos de bombas, que geram desequilíbrios de cargas elétricas, são chamadas de eletrogênicas. As bombas que não geram desequilíbrio de cargas, são chamadas de eletroneutras ou não eletrogênicas, como por exemplo a bomba de H/K, que transporta 1 íons H⁺ para fora da célula e um íons K⁺ para dentro da célula. Esse desequilíbrio de cargas na membrana plasmática é conhecido como potencial de membrana.

O transporte ativo contra gradiente eletroquímico é dividido em primário e secundário, de acordo com o uso do ATP

Transporte ativo primário

Neste caso, proteína transportadora usa diretamente a energia do ATP para realizar o processo de transporte, sendo, portanto, a proteínas transportadora uma ATP base, ou seja, tem a capacidade de quebrar e molécula de ATP em ADP liberando energia nesse processo. O exemplo de transporte ativo primário é a bomba Na/K.

Transporte ativo secundário

A proteínas transportadora não usa diretamente a energia do ATP, mas aproveita o gradiente eletroquímico gerado por uma bomba ATPase para realizar o transporte de substâncias, assim, o uso de energia é feito indiretamente. Por exemplo, as células intestinais devem absorvem grande quantidade de glicose provinda dos alimentos, para isso, elas usam uma proteína transportadora chamada cotransportador Na/glicose. Primeiramente, a bomba Na/K, gastando energia, mantém a concentração de sódio baixa dentro da célula, criando uma gradiente eletroquímico de sódio entro o meio interno e externo, uma vez que o meio externa está com excesso de sódio e cargas positivos em relação ao meio interno. Assim, a tendência é o sódio entrar por difusão na célula. A glicose aproveita-se dessa tendência do sódio entrar na célula e pega "carona" com ele, num transporte conjunto através do cotransportador Na/glicose. Esse transportador capta o sódio e a glicose do meio extracelular e transporta para o meio intracelular. O sódio movimenta-se a favor do gradiente eletroquímico mas a glicose movimenta-se contra o gradiente eletroquímico, uma vez que a concentração de glicose no interior da célula e maior. Assim, a glicose é transportado contra um gradiente eletroquímico, através do contrasportador Na/glicose, o qual não usa energia diretamente mas aproveita-se da energia usada pela bomba Na/K para gerar o gradiente eletroquímico do sódio. Dizemos também que o transporte ativo secundário pode ser classificado em cotransporte, quando dois íons são transportados na mesma direção e contratransporte, quando os íons são transportados em direções diferentes, como por exemplo, o transporte de aminoácido para fora da célula, que ocorre através do trocador Na/aminoácidos, onde o sódio entra na célula favorecido pelo seu gradiente eletroquímico enquanto que o aminoácido é transportado para fora da célula.

Em resumo:

• O transporte contra gradiente eletroquímico, como o próprio nome diz, ocorre contra um gradiente de concentração (químico) e um gradiente elétrico.
• Há participação de uma molécula transportadora,que pode ser uma ATPase, um cotransportador ou um trocador (contratransportador).
• Ocorre gasto de energia.
• Pode ser primário quando há uso direto de energia do ATP, ou secundário, quando há uso indireto da energia do ATP.
• O transporte ativo secundário pode ser classificado em cotransporte (mesmo sentido) ou contratrnasporte (sentidos opostos).

Endocitose

Os processos de transporte estudados anteriormente (difusão simples, osmose, difusão facilitada e transporte ativo contra gradiente eletroquímico) são responsáveis pela movimentação de íons e pequenas moléculas através da membrana plasmática. Entretanto, a célula é capaz transportar quantidade maiores de substâncias, de uma só vez, através de sua membrana, por um processo chamado transporte em quantidade. Para que isso ocorra, a membrana plasmática forma vesículas que englobam essa maior quantidade de substâncias. Além de transportar substâncias em bloco, o transporte em quantidade também permite que a célula movimente macromoléculas e até microrganismos através de suas membrana plasmática. Dividimos o transporte em quantidade em dois tipos: endocitose, quando o transporte é feito para dentro de célula, e exocitose, quando o transporte é feito para fora da célula. A endocitose é subdividida em fagocitose, quando a célula engloba partículas sólidas de grandes dimensões, e pinocitose, quando a célula engloba partículas líquidas com dimensões menores. Vale lembrar que a endocitose consome energia, provinda do ATP.

Fagocitose

Processo de fagocitose.

A fagocitose é um tipo de endocitose no qual a célula engloba para o seu citoplasma partículas sólidas de dimensões maiores e até mesmo outros microrganismos. Inicialmente, a partícula ou o microrganismo a ser fagocitado, choca-se com a célula e é reconhecido pelos receptores de membrana (proteínas e glicocálice). O glicocálice também ajuda a manter a partícula ou microrganismo aderido à célula. Após essa etapa de adesão e reconhecimento, várias modificações no citoesqueleto celular acontecem, fazendo com que a membrana emita prolongamento que englobam o material a ser fagocitado. Esses prolongamentos recebem o nome de pseudópodos. Após englobarem totalmente o material, os pseudópodos formam uma vesícula no interior do citoplasmas com a partícula englobada em seu interior. Essa vesícula é chamada de vacúolo digestivo ou fagossomo, o qual é puxado para o interior do citoplasma pela atividade do citoesqueleto celular, onde as vesículas portadoras de enzimas digestivas (lisossomos) ligam-se ao fagossomo, despejando suas enzimas no seu interior, permitindo, dessa forma, a digestão intracelular do material fagocitado. Exemplos de células que realizam fagocitose são os protozoários e as células de defesa dos animais. Os protozoários utilizam a fagocitose para se alimentar, enquanto que as células de defesa do sistema imunológico, utilizam a fagocitose para destruir partículas estranhas e microrganismos invasores.

Pinocitose

Tipos de endocitose (da esquerda para a direita): fagocitose, pinocitose não seletiva e pinocitose seletiva ou mediada por receptores.

A pinocitose é um tipo de endocitose em que a célula engloba líquidos ou pequenas partículas inespecíficas em solução aquosa. É um sistema de alimentação celular complementar à fagocitose, porém mais delicada e com formação de vesículas minúsculas, difíceis de serem observada ao microscópio óptico. Ao contrário da fagocitose, que está restrita a alguns tipos de células, acredita-se que a pinocitose ocorra em todas as células. Inicialmente, o líquido a ser englobado, quando em contato com a membrana plasmática, provoca modificações na membrana, a qual começa e englobar o material sem a formação de pseudópodos. Ocorre uma invaginação da membrana, com afundamento progressivo no citoplasma, do material a ser englobado. Por fim, a membrana forma um vesícula pequena chamada pinossomo, a qual é puxada para o citoplasma pela ação do citoesqueleto. O pinossomo também pode receber enzimas digestivas dos lisossomos, garantindo a digestão intracelular das substâncias englobadas.

A pinocitose pode englobar todas as substâncias que estivem no meio extracelular e entrarem em contato com a membrana plasmática, sendo, esse processo chamada de pinocitose não seletiva. Por outro lado, na pinocitose seletiva, uma substância específica é reconhecida por um receptor na membrana e então desencadeia o processo de pinocitose. A vantagem da pinocitose seletiva é permitir a captura de grande quantidade de uma única substância específica, sem a incorporação concomitante de outras substâncias ou grande quantidade de água. As áreas da face interna da membrana plasmática dos locais onde ocorreu a pinocitose seletiva, exibem grande quantidade de uma proteína chamada clatrina. Como a clatrina está na face interna da membrana plasmática, após a internalização da vesícula, esse face interna da membrana irá formar a face externa da vesícula ou pinossomo. Assim a vesícula fica com sua face externa coberta por moléculas de clatrina e por isso recebe o nome de vesícula coberta ou coated vesicle, do inglês. A clatrina facilita a formação do pinossomo.

Exocitose

A exocitose, também conhecida como clasmocitose, é um tipo de transporte em quantidade, que ao contrário da endocitose, permite que a célula elimine substâncias para o meio externo. Inicialmente, ocorre a formação de vesículas dentro do citoplasma, as quais contém as substâncias a serem expelidas pela célula. Essas vesículas caminham em direção à membrana plasmática, onde se fundem, liberando seu conteúdo para o meio extracelular. As substâncias a serem liberadas pela célula podem ser toxinas, hormônios ou neurotransmissores (nas sinapses dos nervos). Após a fusão, a superfície total da membrana celular aumenta, uma vez que agrega a si a membrana da vesícula (esta é uma das formas de crescimento das células). As proteínas da membrana vesicular encontram-se agora do lado de fora da membrana celular, proporcionando um mecanismo de regulação dos receptores e transportadores transmembrana.

Podemos dividir a exocitose em dois tipos: exocitose constitutiva e exocitose regulada. A forma constitutiva está presente em todas as células e tem a função de liberar substâncias para o meio extracelular, além de promover o aumento da extensão da membrana plasmática e incorporar à ela novas proteínas, uma vez que a membrana da vesícula fica incorporada à membrana plasmática. Por permitir que a membrana cresça e renove suas proteínas, fica fácil deduzir o motivo pelo qual esse tipo de exocitose é chamado de constitutiva. Na forma regulada, a exocitose ocorre somente após algum sinal específico, além disso, a vesícula é prontamente reciclada após sua fusão na membrana celular, por um processo de endocitose. Assim, logo após a exocitose e incorporação da membrana da vesícula membrana plasmática, ocorre um processo de endocitose e formação de nova vesícula que caminha para dentro do citoplasma, retirando a porção de membrana que havia sido incorporada com a exocitose. O resultado final é que não há crescimento da membrana celular e por isso, não podemos dizer que é uma exocitose constitutiva. Recebe o nome de regulada porque depende de sinais específico para acontecer. O exemplo clássico de exocitose regulada acontece nos neurônios, especificamente nas sinapses nervosas, onde as vesículas contendo os neurotransmissores são liberadas na fenda sináptica.

Especializações da membrana

A membrana plasmática pode modificar sua estrutura com a finalidade de potencializar o desempenho de funções específicas, por exemplo, a células do intestino delgado possuem modificações em sua membrana plasmática que permitem uma melhor absorção dos nutrientes provenientes dos alimentos; já as células da pele, possuem modificações em sua membrana plasmática que permitem que células vizinhas fiquem fortemente aderidas umas às outras. Citaremos a seguir a modificações (também chamadas de especialização) da membrana plasmática e suas principais funções.

Microvilosidades

Microvilosidades de uma célula intestinal. Cada microvilo possui forma digitiforme e estão disposto paralelamente uns aos outros, formado um padrão de borda em escova. O glicocálice forma uma fina camada de muco na pota dos microvilos.

Microvilosidades ou microvilos são expansões da membrana plasmática, digitiformes, ou seja, com forma cilíndrica semelhante a dedos. Existem vários microvilos em uma mesma célula. Grande parte das células possuem microvilosidades, porém nas células responsáveis pela absorção de substâncias elas são bem mais numerosas. Nas demais células, as microvilosidades são menores e distribuídas irregularmente pela membrana plasmática. Um único microvilo possui forma semelhante a um dedo, sendo formado pela expansão do citoplasma e recoberto pela membrana plasmática a qual possui um glicocálice mias desenvolvido que nas outras partes da membrana celular. O citoplasma do microvilo apresenta diversos microfilamentos de citoesqueleto (principalmente actina) cuja função é sustentação e manutenção da forma digitiforme do microvilo. Algumas células possuem um grande número de microvilos em sua superfície, paralelos uns aos outros, dando um aspecto semelhante a um tapete felpudo ou às cerdas de uma escova; por isso, muitas vezes dizemos que o conjunto de microvilos forma uma camada chamada borda em escova ou borda estriada.

A principal função das microvilosidades é aumentar a superfície de contato da membrana, o que é extremamente importante nas células com função absortiva, pois com uma maior área de membrana, a capacidade de absorção de substâncias através da membrana plasmática é maior. Exemplos clássicos de células com microvilosidades bem desenvolvidas são as células intestinais e as células dos túbulos proximais dos rins. As células intestinais absorvem nutrientes enquanto que as células dos túbulos renais absorvem água e íons para serem reaproveitados pelo organismo. Além do aumento da superfície da membrana celular, os microvilos das células intestinais também participam da digestão de nutrientes, uma vez que as enzimas dissacaridases e dipeptidases estão presentes somente nos microvilos das células do intestino.

Estereocílios

Diferentes estereocílios em ratos.

Os estereocílios são prolongamentos longos da membrana plasmática, imóveis, muito semelhantes às microvilosidades diferenciados pelo seu maior comprimento e presença de ramificações. Diferem dos cílios verdadeiros por não apresentarem movimentos, por isso são chamados de "falsos cílios" ou estereocílios. Do mesmo modo que a microvilosidades, os estereocílios possuem feixes de filamentos de actina internos ao seu citoplasma, o que garante a sustentação e forma de sua estrutura. Com relação às suas funções, os estereocílios são responsáveis pela absorção e secreção de substâncias, mas podem também assumir função sensorial quando associados a cílios sensoriais (quinocílios) no ouvido interno. Os estereocílios são encontrados encontrados no canal deferente, epidídimo enas células sensoriais do ouvido.

Invaginações de base

São dobras da membrana plasmática para o interior da célula, localizadas na porção basal ou inferior da célula, daí o nome invaginação de base. Essas invaginações aumentam de forma considerável a superfície da membrana basal das células, o que é muito útil para as células que desempenham função de reabsorver água e íons, como por exemplo algumas células renais. As invaginações de basa dividem a porção inferior do citoplasma da célula em vários compartimentos, onde se concentram grande quantidade de mitocôndrias que fornecem toda a energia necessária para a realização do transporte ativo dessas células.

Interdigitações

As interdigitações são prolongamentos da membrana plasmática, localizados na parte lateral da célula e que se estendem até as células vizinhas. A função das interdigitações é ajudar a manter as células vizinhas coesas umas nas outras, além de aumentar a superfície de contato entre as células. A interdigitações são típicas dos tecido epiteliais.

Estruturas juncionais

Estruturas juncionais da célula. Lembrar que este esquema é bidimensional e portanto não está retratando a junção oclusiva e a junção aderente dando a volta em todo o perímetro da célula.

A membrana plasmática possui estruturas especializadas em manter as células aderidas umas às outras. Tais especializações, por manterem a junção celular, recebem o nome de estruturas juncionais. Vale lembrar que as estruturas juncionais além de manter a coesão entre células vizinhas, também mantém as células fixas às estruturas do meio extracelular (matriz extracelular), garantem a vedação do espaço intercelular e permitem a comunicação entres células vizinhas. As estruturas juncionais são divididas nos seguintes grupos:

• 1 - Junções oclusivas: localizadas na região apical da célula, permitem a adesão célula-célula e vedação do espaço intercelular.
• 2 - Junções aderentes: localizadas na região apical da célula, logo abaixo das junções oclusivas, permitem a adesão célula-célula e vedação do espaço intercelular.
• 3 - Desmossomas: localizados na porção medial da célula, logo abaixo das junções aderentes, permitem a adesão célula-célula.
• 4 - Hemidesmossomas: localizados na porção basal da célula, permitem a adesão célula-membrana basal.
• 5 - Junções comunicantes: localizadas na porção medial da célula, formam um canal entre a duas células vizinhas, permitindo a comunicação do citoplasma de duas células adjacentes.

Ao grupo formado pela junção oclusiva, junção aderente e desmossomos, damos o nome de complexo juncional. As estruturas de adesão acima descritas estão presente em grande número nos tecidos epiteliais, são importantes para manter a coesão celular garantindo assim a integridade dos tecidos, fornecem uma maior resistência ao estresse físico, o que é de extrema importância para os tecidos de revestimento como a pele. Pelo fato de vedarem o espaço intercelular, controlam o transporte de substância através deste espaço, propriedade esta muito utilizado pelo epitélio intestinal e dos túbulos renais. Outra função vital das estruturas juncionais é permitir a comunicação entre células vizinhas.

Junção oclusiva

Estrutura da claudina.

Estrutura molecular da junção oclusiva.

A junção oclusiva, também chamada de zônula oclusiva, junção íntima ou junção de oclusão, é uma estrutura juncional localizada na porção apical (superior) da célula, onde as proteínas da membrana plasmática das células vizinhas se unem de tal forma que mantém as membranas celulares vizinhas ficam bem próximas uma da outra, quase se fundindo. Essa estrutura faz a volta em toda a circunferência celular, semelhante a uma fita, unindo assim as células vizinhas e vedando o espaço intercelular. A vedação do espaço intercelular, impede o livre trânsito de substâncias pela via paracelular, ou seja, pelo espaço entre duas células vizinhas, formando dois compartimentos distintos, separados pela camada de célula. A consequência desse fenômeno é a possibilidade de criação de compartimentos com composição química diferentes e muitas vezes com composição iônica diferentes, por exemplo, com acúmulo de íons negativos em um dos lados, gerando assim uma assimetria de cargas elétricas entre as duas faces da camada celular e criando o chamado potencial elétrico transepitelial. Outra consequência da vedação do espaço intercelular é obrigar a maioria das substâncias a serem transportadas através da camada celular, fazer isso pela via transcelular, ou seja, através da célula. Como explicado nas sessões anteriores, o transporte de substâncias através da membrana celular é regulado por uma série de transportadores, dessa forma, as células são capazes de controlar e regular quais substâncias devem atravessar a camada. As proteínas que formam a junção oclusiva podem permitir a passagem de determinados íons pela via paracelular, como acontece nas células dos túbulos renais que possuem proteínas da junção oclusiva que permitem a passagem de magnésio pela via paracelular. Essa característica também dá à junção oclusiva a capacidade de controlar e regular o fluxo de substâncias por entre as células adjacentes.

A camada celular de alguns epitélios, como a pele, transportam solutos de maneira igual por entre as células, pois a distribuição de transportadores é semelhante tanto na região apical quando na basal. Assim, a composição química dos dois compartimentos separados pela camada celular é praticamente igual e não há diferença de potencial transepitelial. Dizemos que esse tipo de epitélio é simétrico sob o ponto de vista elétrico. No caso de epitélios especializados em transportar grande quantidade de soluto e água, como o epitélio intestinal, as suas células apresentam distribuição diferente dos transportadores na região apical e basal. Dessa forma, a célula absorve em maior quantidade alguns íons do que outros, gerando assim um diferença na composição química dos dois compartimentos e criando um potencial transepitelial. Dizemos que essas células são assimétricas do ponto de vista elétrico e que são polarizadas, ou seja, são capazes de promover um fluxo de substâncias através delas. Todos esses fenômenos de suma importância fisiológica não seriam possíveis sem a devida vedação do espaço intercelular pela junção oclusiva. Vale lembrar que além de garantir a polaridade da células, a junção aderente também confere resistência mecânica ao tecido através da adesão célula-célula.

A estrutura molecular da junção oclusiva é formada por proteínas transmembranas chamadas ocludinas e claudinas. Essas proteínas são formadas por quadro domínios transmembranares, ou seja, a proteína atravessa a membrana quatro vezes. Imagine a estrutura da claudina e ocludina como sendo semelhante a uma linha. Essa "linha", inicia-se no citoplasma, atravessa a membrana (1° domínio), faz uma volta formando um arco e retorna em direção à membrana (2° domínio). De volta ao citoplasma, a proteína faz uma outra volta e atravessa a membrana (3° domínio) em direção ao meio externo, onde mais uma vez forma um arco e retorna ao citoplasma passando novamente pela membrana (4° domínio). Note que, além dos quatro domínios transmembranares, essas proteínas forma 2 alças no meio externo e duas caudas (pontas) no citoplasma. Pelo fato de apresentarem 4 domínios transmembranares, as ocludinas e claudinas pertencem à família de proteínas chamadas tetraspaninas. A porção citoplasmática da claudina e ocludina ligam-se a outras proteínas chamadas proteínas da zônula de oclusão, com três tipos distintos: ZO-1, ZO-2 e ZO-3. As proteínas da zônula de oclusão funcionam como "pontes" que conectam as claudinas e ocludinas aos filamentos de actina F do citoesqueleto celular. As alças externas das claudinas e ocludinas ligam-se com outras claudinas e ocludinas provenientes da célula vizinha. Existem outros componentes proteicos adicionais na junção oclusiva, como as JAMs e o complexo afadina-nectina. As JAMs (junctional adhesion molecules) também são proteínas transmembranas com uma porção externa e outra interna citoplasmática. A proção externa liga-se às JAMs das células vizinhas, já a porção citoplasmática liga-se à ZO-1, que por sua vez está conectada à afadina e aos filamentos de actina F. O complexo afadina-nectina é formado pela afadina, localizada no citoplasma, e pela nectina, localizada na porção externa da célula. A afadina interagem com a ZO-1, enquanto que a necetina interagem com outras nectinas da célula vizinha. As JAMs e as nectinas são proteínas que pertencem à família das imunoglobulinas, um grupo de proteínas que medeiam a adesão célula-célula.

Doença da junção oclusiva

A Hipomagnesemia familiar é uma doença hereditária causada pela mutação nos genes CLDN16 e CLDN19, que codificam a claudina 16 (também conhecida como paracelina) e claudina 19. Essas mutações impedem que a claudina alcance sua posição correta na membrana plasmática ou alteram a função dessas proteínas. Essas alteração das junções oclusivas impedem que as células renais reabsorvam o magnésio presente na urina, causando um aumento na perda urinária deste íon, gerando hipomagnesemia, ou seja, baixa concentração de magnésio no sangue.

Junção aderente

Estrutura molecular da junção aderente.

Também conhecida como zônula de adesão ou desmossoma em cinturão, é uma estrutura juncional localizada logo abaixo da junção oclusiva e que também de uma estrutura em fita, fazendo a volta em todo o perímetro da célula. Trata-se de uma estrutura com a função de ancoragem, garantindo a adesão célula-célula, e, ao contrário da junção oclusiva, o espaço intercelular na junção aderente é mais amplo. Sua estrutura molecular é formada por uma placa citoplasmática aderida à face interna da membrana plasmática, que aparece mais escura ao microscópio eletrônico. Nessa placa estão aderidas proteínas chamadas cateninas, que ligam a placa aos filamentos de actina do citoesqueleto. Da placa, partem filamentos de caderinas e nectina, em direção ao meio externo, os quais se ligam aos filamentos de caderinas e nectinas da células vizinhas, fazendo assim a ancoragem célula-célula. A placa é formada diversos tipos de proteínas: desmoplaquina, placoglobina e placofilina. Dentre o grupo de proteínas conhecidas como caderinas, a desmogleína e a desmocolina são as que estão presentes na junção aderente. Outras proteínas presentes na junção oclusiva são as nectinas e afadinas, formando o complexo afadina-nectina, assim como ocorre na junção oclusiva.

Desmossoma

Imagem de dois desmossomas vistos ao microscópio eletrônico. É possível visualizar a placa desmossômica (mais escura) no citoplasma, os filamentos de queratina saindo da placa, o espaço intercelular com a linha média densa.

Composição molecular do desmossoma.

Desmossoma é uma junção celular constituída por duas partes, uma delas na membrana de uma das células e a outra, na membrana da célula vizinha. Assim, um desmossoma consiste de duas placas circulares de proteínas (placa do desmossoma), uma em cada célula. Da placa do desmossoma, partem filamentos constituídos por outras proteínas, que atravessam a membrana plasmática e atingem espaço intercelular, onde se associam com os filamentos oriundos da placa do desmossoma da célula vizinha. Essa associação dos filamentos no espaço intercelular mantém firmemente unidas as duas placas desmossômicas e, conseqüentemente, as células que as contêm. A parte da placa do desmossoma voltadas para o interior das célula liga-se aos filamentos de queratina do citoesqueleto, promovendo o firme ancoramento do desmossomo em toda a estrutura celular. Dessa forma, podemos dizer que os desmossomas permite a associação do citoesqueleto de células adjacentes.

Ao observar a união de duas células através dos desmossomas pelo microscópio eletrônico, podemos distinguir as seguintes regiões: uma porção bastante elétron-densa (escura) logo abaixo da membrana plasmática das duas células vizinhas correspondente à placa do desmossoma; uma região de filamentos mais denso aos elétrons saindo da placa e indo em direção ao citoplasma, correspondendo aos filamentos intermediários de queratina ou tonofilamentos; uma região densa no espaço entre as duas células vizinhas chamada de linha média densa.

A placa do desmossoma é constituída por várias proteínas dentre as quais a desmoplaquina I e II, placoglobina e placofilina. Já os filamentos do espaço intercelular são formados por glicoproteínas do grupo das caderinas, mais especificamente a desmocolina e a desmogleína, as quais se aderem à placa do desmossoma de um lado e às outras fibras de caderinas vindas do desmossoma da célula vizinha. Tanto a desmocolina quanto a desmogleína são proteínas integrais da membrana, emitindo prolongamentos para o interior do citoplasma e para o meio extracelular. Os prolongamentos que vão em direção ao interior da célula, prendem a membrana plasmática à placa do desmossoma. Os prolongamentos que vão para o meio extracelular, ligam-se às fibras do desmossoma da célula vizinha. As moléculas de caderinas (desmocolina e desmogleína) de uma célula ligam-se às caderinas da célula vizinha através de uma ligação homofílica, ou seja, ligam-se à moléculas do mesmo tipo vindas da célula adjacente, por exemplo, desmocolina com desmocolina e desmogleína com desmogleína. A ligação dessas moléculas depende da concentração do íons Ca²⁺ no meio extracelular; caso o Ca²⁺ esteja em baixa concentração, as caderinas mudam de conformação causando a ruptura da ligação e consequentemente, separação das células.

Pelo fato de garantir uma adesão forte célula-célula, os desmossomas deixam a camada celular mais rígida, resistente e estável, sendo por isso encontrados em grande quantidade nos tecidos epiteliais submetidos à constante tração e atrito como por exemplo a pele, a mucosa de revestimento da língua e estômago. Também são encontrados nas células do músculo cardíaco e nas membranas (meninges) que revestem o cérebro e a medula espinhal. Nas células que sofrem transformação maligna (células cancerosas), os desmossomas aparecem em número bastante reduzido ou são ausentes, provocando o desprendimento dessas células malignas do tumor original, contribuindo para a disseminação do tumor para locais distantes do original (fenômeno esta chamado de metástase).

Doenças dos desmossomas

Pênfigo. O pênfigo é uma doença caracterizada pela formação de bolhas na pele e mucosas. Esses pacientes produzem anticorpos que reconhecem, atacam e destroem a desmogleína. Como consequência, as células perdem a sua adesão e se separam uma das outras num fenômeno conhecido como acantólise. A consequência da acantólise é a formação de bolhas sobre a pele e mucosa oral, já que o afastamento das célula da pele permite o acúmulo de líquido vindo do tecido conjuntivo mais profundo. Um outro detalhe é que nos pacientes com pênfigo, os desmossomas de outros tecidos não sofrem alterações, o que sugere existir diferenças nas proteínas que constituem os desmossomas dos vários tecidos. A cardiomiopatia arritmogênica do ventrículo direito é uma doença genética caracterizada pela mutação nos genes que codificam a placoglobina, placofilina, desmogleína, desmocolina e desmoplaquina. Com a alteração do desmossomo, as células do músculo cardíaco (miócitos) acabam afastando-se umas das outras e evoluindo para morte celular. Os miócito lesionados são substituídos por tecido fibrótico e gorduroso. A consequência destas alteração é a alteração da capacidade de contração do coração, neste caso, do ventrículo direito e propensão à arritmias. Cabelo lanoso é uma doença onde o cabelo apresenta aspecto de lã, frágil, ressecado e claro. Pode ser de origem genética, devido mutações na placoglobina. A alteração do desmossoma explica a maior fragilidade do cabelo. Além disso essa síndrome esta associada à maior fragilidade da pele e à cardiomiopatia arritmogênica do ventrículo direito.

Hemidesmossoma

O desmossoma une uma célula à outra, enquanto o hemidesmossoma une a célula à membrana basal.

Estrutura molecular de um hemidesmossoma.

Ao contrário do desmossoma que é formado por duas partes (uma em cada célula vizinha), o hemidesmossoma é uma junção celular formada por uma única parte, daí o nome hemidesmossoma ou meio desmossoma. Caracteristicamente, as células que formam os tecidos epiteliais estão apoiadas sobre uma membrana formada por diversas proteínas. Essa membrana proteica está em íntimo contata com a região basal (inferior) das células epiteliais e por isso recebe o nome de membrana basal. A função dos hemidesmossomas é prender fortemente a célula à membrana basal, garantindo assim a integridade e conferindo resistência mecânica ao tecido.

O hemidesmossoma é formado por uma placa intracelular aderida à membrana plasmática, por filamentos intermediários (tonofilamentos) que saem da placa em direção ao citoplasmas e por filamentos que saem da placa em direção ao meio externa para prenderem-se à membrana basal. Apesar do hemidesmossoma ter aparência e funções semelhantes ao desmossoma, a composição molecular dessas estruturas é diferente. Na composição das placas dos hemidesmossomas encontramos desmoplaquina, mas não observamos placoglobina, desmocolina nem desmogleína. Uma outra diferença significativa é a composição da proteína transmembrana. No desmossomo, a proteína transmembrana é da família das caderinas (desmocolina e desmogleína), que emitem prolongamentos para o meio externo que vão se ligar às caderinas da célula vizinha por ligação homofílica. Já no hemidesmossoma, a proteína transmembrana é uma integrina que liga-se às proteínas da membrana basal por meio de ligação heterofílica, ou seja, as moléculas de integrinas ligam-se à moléculas de tipos diferentes delas.

Podemos dividir a placa do hemidesmossoma em duas partes: a placa citoplasmática interna e a placa membranar externa. Da placa citoplasmática interna partem os filamentos intermediários de queratina, rumo ao citoplasma, onde vão se ancorar ao citoesqueleto celular. Da placa membranar externa partem os filamentos de ancoragem, rumo ao meio extracelular, que irão ligar a célula à membrana basal. Os filamentos de ancoragem são proteínas transmembranas da classe das integrinas, neste caso específico a integrina α6β4. As integrinas são proteínas de adesão independentes do cálcio, ao contrário das moléculas de caderinas dos desmossomas. As integrinas reconhecem e se ligam às proteínas da membrana basal chamadas lamininas.

Doença do hemidesmossoma

A epidermólise bolhosa juncional é uma doença que causa bolhas na pele e membranas mucosas, originada de um defeito na fixação da epiderme na derme, o que provoca fragilidade da pele. Sua severidade varia desde casos leves até fatais. Crianças afetadas pela epidermólise bolhosa costumam ser chamadas de "crianças-borboleta", porque se diz que sua pele é tão frágil quanto as asas de uma borboleta. Também são chamados de "bebês de algodão-doce" ou "crianças com pele de cristal". A causa da doença é uma mutação no gene que codifica a laminina 5, impedindo a correta adesão do hemidesmossoma à membrana basal, fazendo as células se desprenderem da membrana basal, explicando a formação de bolhas e fragilidade da pele.

Junção comunicante

Estrutura molecular da junção comunicante. a-fechada; b-aberta; c-conexon; d-conexina; e-membrana plasmática; f-espaço intercelular; g-espaço de 2-4 nm; h-canal hidrofílico.

Estrutura do conexons e conexina.

A junção comunicante, também conhecida como junção em hiato ou nexos ou gap junction, é uma especialização da membrana celular que conecta uma célula à outra, porém sem a finalidade de adesão forte e sim com a finalidade de comunicação celular. A junção comunicante de uma célula é constituída por um conjunto de proteínas que formam uma estrutura semelhante a um canal ou poro, que se conecta à junção comunicante da célula vizinha. Dessa forma, tem-se uma comunicação direta entre o citoplasma de uma célula e o citoplasma da célula vizinha, por onde passam livremente algumas molécula e íons. Dentre as moléculas que atravessam os poros da junção comunicantes, estão os mensageiros intracelulares, que são substâncias responsáveis por desencadear uma resposta da célula a um estímulo externo. Assim, por exemplo, a interação de um hormônio com um receptor de membrana ativa o mensageiro intracelular que irá promover as alterações fisiológicas na célula. Como esse mensageiro intracelular é capaz de atravessar a junção comunicante, a resposta fisiológica de grupos celular ao estimulo hormonal é consideravelmente ampliada. As junções comunicantes também estão presentes em grande quantidade no músculo cardíaco onde são particularmente importantes: o sinal elétrico para a contração muscular cardíaca passa livremente pelas junções comunicantes, permitindo que o músculo cardíaco contraia de forma coordenada. Outra importante função das junções comunicantes é permitir o correto desenvolvimento de células embrionárias, pois os sinais para o correto posicionamento dos órgãos do corpo, a polaridade direita/esquerda e a simetria/assimetria vista em animais, dependem da junção comunicante. As junções comunicantes estão presentes em quase todos os tecidos humanos, exceto no tecido muscular esquelético adulto e já bem desenvolvido e nas células móveis como os espermatozoides e eritrócitos.

Sob o ponto de vista molecular, a junção comunicante é formada pela união de um conexon (ou hemicanal) de uma célula com o conexon de sua célula vizinha. Cada conexon ou hemicanal possui forma tubular e atravessa toda a membrana. O conexon de uma célula liga-se à extremidade do conexon da célula adjacente, formando assim, um canal com cerca de 2 nanômetros de diâmetro, comunicando diretamente o citoplasma de células vizinhas. O conexon, por sua vez, é formado pelo conjunto de seis proteínas transmembranas chamadas conexinas. Os monômeros de conexina se associam uns aos outros para formar uma estrutura tubular (conexon) com um canal hidrofílico central. Esse canal tem a propriedade de se abrir ou fechar, sendo que na presença de altas concentrações de cálcio, o canal se fecha, permitindo o controlar a passagem de substancias através das células vizinhas. As conexinas são proteínas transmembrana com quatro passagens pela membrana plasmática (M1 a M4), formando duas extremidades dentro do citoplasma (N e C), um alaça citoplasmática (CL) e duas alças extracelular (E1 e E2). Em humanos, existem cerca de 21 tipos diferentes de conexinas, formando diferentes junções comunicantes e cada uma delas com propriedades distintas.

Doença da junção comunicante

A junção comunicante está presente nas células da cóclea, a parte auditiva do ouvido interno. Mutações no gene Cx26, que codifica a conexina da junção comunicante da cóclea, estão relacionados a quadros de surdez. Células do tecido ósseo também apresentam junções comunicantes e mutações nos genos que codificam as conexinas dessas células, provocam alterações na mineralização do esqueleto com consequente defeito no seu desenvolvimento.