1 fisiologia médica (guyton e hall) 9 a ed - cap 01 a 13 (2

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1 fisiologia médica (guyton e hall) 9 a ed - cap 01 a 13 (2

  1. 1. 1 UNIDADE I INTRODUÇÃO A FISIOLOGIA: FISIOLOGIA CELULAR E GERAL Ø Organização Funcional do Corpo Humano e Controle do "Meio Interno" Ø A Célula e seu Funcionamento Ø Controle Genético da Síntese de Proteínas, do Funcionamento e da Reprodução Celular
  2. 2. 2 CAPÍTULO I Organização Funcional do Corpo Humano e Controle do "Meio Interno" A fisiologia tenta explicar os fatores físicos e químicos responsáveis pela origem, desenvolvimento e progressão da vida. Cada tipo de vida, desde o mais simples vírus até a maior árvore ou o complexo ser humano, possui características funcionais próprias. Portanto, o vasto campo da fisiologia pode ser dividido cm fisiologia virai, fisiologia bacteriana, fisiologia celular, fisiologia vegetal, fisiologia humana, e em muitas outras áreas. Fisiologia humana. Na fisiologia humana, estamos interessados nas características e mecanismos específicos do corpo humano que o tornam um ser vivo. O simples fato de que permanecemos vivos está quase além de nosso controle, pois a fome nos faz procurar alimento e o medo, a buscar abrigo. As sensações de frio nos levam a produzir calor e outras forças nos levam a procurar companhia e a reproduzir. Assim, o ser humano é, na verdade, um autômato, e o fato de sermos seres que sentem, que têm sentimentos e conhecimento c parte dessa seqüência automática da vida; esses atributos especiais nos permitem viver sob condições extremamente variáveis que, de outra forma, impossibilitariam a vida. AS CÉLULAS COMO AS UNIDADES VIVAS DO CORPO A unidade viva fundamental do corpo é a célula e cada órgão é um agregado de muitas células diferentes, mantidas unidas por estruturas intercelulares de sustentação. Cada tipo de célula é especialmente adaptado para a execução de uma função determinada. Por exemplo, os glóbulos vermelhos do sangue, um total de 25 trilhões de células, transportam oxigênio dos pulmões para os tecidos. Embora esse tipo de célula talvez seja o mais abundante, é possível que existam outros 75 trilhões de células. Todo o corpo é formado, então, por cerca de 100 trilhões de células. Embora as inúmeras células do corpo possam, muitas vezes, diferir acentuadamente entre si, todas apresentam determinadas características básicas que são idênticas. Por exemplo, em todas as células, o oxigênio reage com carboidratos, gordura ou proteína para liberar a energia necessária ao funcionamento celular. Ainda mais, os mecanismos gerais para a transformação dos nutrientes em energia são, em termos básicos, os mesmos em todas as células e, igualmente, todas as células eliminam os produtos finais de suas reações químicas para oslíquidos onde ficam imersas. Quase todas as células também têm capacidade de se repro- duzir e, sempre que células de determinado tipo são destruídas por qualquer causa, as células remanescentes do mesmo tipo regeneram, com muita freqüência, novas células até que seja restabelecido seu número adequado. O LÍQUIDO EXTRACELULAR - O MEIO INTERNO Cerca de 56% do corpo humano são compostos de líquidos. Embora a maior parte desse líquido fique no interior das células — e seja chamado de liquido intracelular —, cerca de um terço ocupa os espaços por fora das células e é chamado de liquido extracelular. O líquido extracelular se movimenta continuamente por todo o corpo. É transportado rapidamente no sangue circulante e, em seguida, misturado entre o sangue e os líquidos teciduais por difusão através das paredes capilares. No líquido extra-celular ficam os íons c os nutrientes necessários às células, para manutenção da vida celular. Por conseguinte, todas as células partilham de um mesmo ambiente, o líquido extracelular, razão por que esse líquido extracelular é chamado de meio interno do corpo, ou milieu intérieur, expressão criada, há pouco mais de 100 anos, pelo grande fisiologista francês do século XIX, Claude Bernard. As células são capazes de viver, crescer e desempenhar suas funções específicas enquanto estiverem disponíveis, nesse ambiente interno, as concentrações adequadas de oxigênio, glicose, diversos íons, aminoácidos, substâncias gordurosas e outros constituintes. Diferenças entre os líquidos extra e intracelulares. O líquido extracelular contém grandes quantidades de íons sódio, cloreto e bicarbonato, mais os nutrientes para as células, tais como oxigênio, glicose, ácidos graxos c aminoácidos. Também contém dióxido de carbono que está sendo transportado das células até os pulmões para serem excretados, além de outros produtos celulares que, igualmente, estão sendo transportados para o rim, onde vão ser excretados. O líquido intracelular difere, de forma significativa, do líquido extracelular; em especial, contém grandes quantidades de íons potássio, magnésio e fosfato, em lugar dos íons sódio e cloreto presentes no líquido extracelular. Essas diferenças são mantidas por mecanismos especiais de transporte de íons através das membranas celulares. Esses mecanismos são discutidos no Cap. 4.
  3. 3. 3 MECANISMOS "HOMEOSTÁTICOS" DOS PRINCIPAIS SISTEMAS FUNCIONAIS HOMEOSTASIA A palavra homeostasia é usada pelos fisiologistas para significar manutenção das condições constantes, ou estáticas, do meio interno. Em essência, todos os órgãos e tecidos do corpo exercem funções que ajudam a manter essas condições constantes. Por exemplo, os pulmões fornecem oxigênio para o líquido extracelular para repor o que está sendo consumido pelas células; os rins mantêm constantes as concentrações iônicas e o sistema gastrintestinal fornece nutrientes. Grande parte deste texto está relacionado ao modo como cada órgão ou tecido contribui para a homeostasia. Para iniciar esta discussão, serão descritos, resumidamente, os diferentes sistemas funcionais do corpo e seus mecanismos homeostáticos; em seguida, será apresentada a teoria básica dos sistemas de controle que atuam harmoniosamente entre si. OS SISTEMAS DE TRANSPORTE DO LÍQUIDO EXTRACELULAR - O SISTEMA CIRCULATÓRIO O líquido extracelular é transportado para todas as partes do corpo em duas etapas distintas. A primeira depende do movimento do sangue ao longo do sistema circulatório, e a segunda, do movimento de líquido entre os capilares sanguíneos e as células. A Fig. 1.1 mostra a circulação geral do sangue. Todo o sangue contido na circulação percorre todo o circuito em cerca de um minuto em média, no repouso, e até seis vezes por minuto quando a pessoa está extremamente ativa. Fig 1.1 Organização geral do sistema circulatório. Conforme o sangue circula pelos capilares, ocorre troca contínua de líquido extracelular entre a parte de plasma do sangue e o líquido intersticial que preenche os espaços entre as células: os espaços intercelulares. Esse processo é mostrado na Fig. 1.2. Note que os capilares são porosos, de modo que grandes quantidades de líquido e de seus constituintes em solução podem difundir, nos dois sentidos, entre o sangue e os espaços teciduais, como indicado pelas setas na figura. Esse processo de difusão é causado pela movimentação cinética das moléculas, tanto no plasma como no líquido intersticial. Isto é, o liquido e as moléculas em solução estão continuamente em movimento e saltando em todas as direções no interior do próprio líquido e também através dos poros e pelos espaços teciduais. Quase que nenhuma célula fica distante mais de 25 a 50 m de um capilar, o que assegura a difusão de quase todas as substâncias do capilar para a célula dentro de poucos segundos. Assim, o líquido extracelular, por todo o corpo, tanto o do plasma como o do líquido contido nos espaços intercelulares, está sendo continuamente misturado, o que garante sua homogeneidade quase total. ORIGEM DOS NUTRIENTES DO LÍQUIDO EXTRACELULAR Sistema respiratório. A Fig. 1.1 mostra que, cada vez que o sangue circula pelo corpo, ele também flui pelos pulmões. Nos alvéolos, o sangue capta oxigênio, ganhando, dessa forma, o oxigênio necessitado pelas células. A membrana entre os alvéolos e o lúmen dos capilares pulmonares tem espessura de apenas 0,4 a 2,0 m e o oxigênio se difunde, através dessa membrana, para o sangue exatamente da mesma maneira como a água e os íons se difundem através dos capilares teciduais. Tubo gastrintestinal. Grande parte do sangue que é bombeada pelo coração também passa pelas paredes dos órgãos gastrintestinais. Aí, diversos nutrientes dissolvidos, incluindo carboidratos, ácidos graxos, aminoácidos e outros, são absorvidos para O líquido extracelular. Fígado e outros órgãos que desempenham funções primariamente metabólicas. Nem todas as substâncias absorvidas do tubo gastrintestinal podem ser usadas, na forma em que foram absorvidas, pelas células. O fígado modifica as composições químicas dessas substâncias, transformando-as em formas mais utilizáveis, e outros tecidos do corpo — as células adiposas, a mucosa gastrintestinal, os rins e as glândulas endócrinas — ajudam a modificar Fig. 1.2 Difusão de líquido através das paredes capilares e pelos espaços intersticiais.
  4. 4. 4 as substâncias absorvidas ou as armazenam, até que sejam necessárias no futuro. Sistema musculoesquelético. Algumas vezes, é levantada a questão: como é que o sistema musculoesquelético participa nas funções homeostáticas do corpo? A resposta a ela é óbvia e simples. Se não fosse por esse sistema, o corpo não se poderia deslocar para um local apropriado no tempo adequado, a fim de obter os alimentos necessários para sua nutrição. O sistema musculoesquelético também gera a motilidade usada na proteção contra os ambientes adversos, sem o que todo o corpo, junto com os demais mecanismos homeostáticos, poderia ser destruído instantaneamente. REMOÇÃO DOS PRODUTOS FINAIS DO METABOLISMO Remoção do dióxido de carbono pelos pulmões. Ao mesmo tempo que o sangue capta oxigênio nos pulmões, o dióxido de carbono está sendo liberado do sangue para os alvéolos, e o movimento respiratório do ar, para dentro e para fora dos alvéolos, transporta esse gás para a atmosfera. O dióxido de carbono é o mais abundante de todos os produtos finais do metabolismo. Os rins. A passagem de sangue pelos rins remove a maioria das substâncias que não são necessárias às células. De forma especial, essas substâncias incluem os diferentes produtos finais do metabolismo celular, além do excesso de íons e de água que podem ter-se acumulado no líquido extracelular. Os rins realizam sua função, primeiro, ao filtrarem grandes quantidades de plasma, pelos glomérulos, para os túbulos e, em seguida, reabsorverem para o sangue as substâncias que o corpo necessita — como glicose, aminoácidos, quantidades apropriadas de água e muitos íons. Contudo, a maior parte das substâncias que não são necessárias ao corpo, especialmente os produtos finais do metabolismo, como a uréia, é pouco reabsorvida e, como resultado, elas passam pelos túbulos renais para serem eliminadas na urina. REGULAÇÃODASFUNÇÕESCORPORAIS O sistema nervoso. O sistema nervoso é formado por três constituintes principais: o componente sensorial, o sistema nervoso central (ou componente integrativo) e o componente motor. Os receptores sensoriais detectam o estado do corpo ou o estado de seu ambiente. Por exemplo, os receptores, presentes por toda a pele, denotam cada e todas as vezes que um objeto toca a pessoa em qualquer ponto. Os olhos são órgãos sensoriais que dá à pessoa uma imagem visual da área que a cerca. O sistema nervoso central é formado pelo encéfalo e pela medula espinhal. O encéfalo pode armazenar informações, gerar pensamentos, criar ambições e determinar quais as reações que serão executadas pelo corpo em resposta às sensações. Os sinais apropriados são, em seguida, transmitidos, por meio do componente motor do sistema nervoso, para a efetivação dos desejos da pessoa. Um grande componente do sistema nervoso é chamado de sistema autonômico. Ele atua ao nível subconsciente e controla muitas funções dos órgãos internos, inclusive o funcionamento do coração, os movimentos do tubo gastrintestinal e a secreção de diversas glândulas. O sistema de regulação endócrina. Existem dispersas no corpo oito glândulas endócrinas principais, secretoras de substâncias químicas, os harmônios. Os hormônios são transportados pelo líquido extracelular até todas as partes do corpo, onde vão participar da regulação do funcionamento celular. Por exemplo, os hormônios tireóideos aumentam a velocidade da maioria das reações químicas celulares. Dessa forma, o hormônio tiróideo deter mina a intensidade da atividade corporal. A insulina controla o metabolismo da glicose, os hormônios do córtex supra-renal controlam o metabolismo iônico e protéico, e o hormônio paratiróideo controla o metabolismo ósseo. Assim, os hormônios formam um sistema de regulação que complementa o sistema nervoso. O sistema nervoso, em termos gerais, regula, principalmente, as atividades motoras e secretoras do corpo, enquanto o sistema hormonal regula, de modo primário, as funções metabólicas. REPRODUÇÃO Por vezes, a reprodução não é considerada como uma função homeostática. Todavia, a reprodução participa da manutenção das condições estáticas, por produzir novos indivíduos que vão tomar o lugar dos que morreram. Isso talvez pareça um uso permissivo do termo homeostasia, mas, na verdade, ilustra que, em última instância, todas as estruturas do corpo, em essência, são organizadas de forma a manter a automaticidade e a continuidade da vida. OS SISTEMAS DE CONTROLE DO CORPO O corpo humano contém literalmente milhares de sistemas de controle. Os mais intricados deles são os sistemas genéticos de controle, atuantes em todas as células, para regular o funcionamento intracelular e, também, todas as funções extracelulares. Este tópico é discutido no Cap. 3. Muitos outros sistemas de controle atuam ao nível dos órgãos, para regular o funcionamento de partes distintas desses órgãos; outros atuam ao nível de todo o corpo, para regular as inter-relações entre os órgãos. Por exemplo, o sistema respiratório, atuando em associação com o sistema nervoso, regula a concentração de dióxido de carbono no líquido extracelular. O fígado e o pâncreas regulam a concentração de glicose no líquido extracelular. Os rins regulam a concentração dos íons hidrogênio, sódio, potássio, fosfato e muitos outros no líquido extracelular. EXEMPLOS DE MECANISMOS DE CONTROLE Regulação das concentrações de oxigênio e de dióxido de carbono no líquido extracelular. Dado que o oxigênio é uma das principais substâncias necessárias para as reações químicas no interior das células, é muito importante que o corpo disponha de mecanismo especial de controle para manter uma concentração de oxigênio constante e quase invariável no líquido extra - celular. Esse mecanismo depende, principalmente, das características químicas da hemoglobina, presente em todos os glóbulos vermelhos do sangue. A hemoglobina se combina com o oxigênio enquanto o sangue circula pelos pulmões. Em seguida, conforme o sangue passa pelos capilares teciduais, a hemoglobina não libera o oxigênio no líquido tecidual, caso ele já contenha teor elevado de oxigênio, mas, se a concentração de oxigênio estiver baixa, será liberado oxigênio em quantidade suficiente para restabelecer a concentração tecidual adequada de oxigênio. Dessa forma, a regulação da concentração de oxigênio nos tecidos depende, primariamente, das características químicas da própria hemoglobina. Essa regulação recebe o nome de função tamponadora de oxigênio da hemoglobina. A concentração de dióxido de carbono no líquido extracelular é regulada de forma bastante diferente. O dióxido de carbono é um dos principais produtos finais das reações oxidativas das células. Se todo o dióxido de carbono formado nas células pudesse se acumular nos líquidos teciduais, a ação de massa
  5. 5. 5 do próprio dióxido de carbono interromperia, em pouco tempo, todas as reações liberadoras de energia das células. Felizmente, um mecanismo nervoso controla a expiração do dióxido de carbono pelos pulmões e, dessa forma, mantém concentração constante e relativamente baixa de dióxido de carbono no líquido extracelular. Em outras palavras, a concentração elevada de dióxido de carbono excita o centro respiratório, fazendo com que a pessoa respire mais freqüentemente e com maior amplitude. Isso aumenta a expiração de dióxido de carbono e, por conseguinte, acelera sua remoção do sangue e do líquido extracelular, e esse processo continua até que sua concentração retorne ao normal. Regulação da pressão arterial. Vários sistemas distintos contribuem para a regulação da pressão arterial. Um deles, o sistema barorreceptor, é exemplo excelente e muito simples de um mecanismo de controle. Na parede da maioria das grandes artérias da parte superior do corpo - e, de modo especial, na bifurcação da artéria carótida comum e no arco aórtico - existem numerosos receptores neurais que são estimulados pelo estiramento da parede arterial. Quando a pressão arterial se eleva, esses barorreceptores são estimulados de forma excessiva, quando, então, são transmitidos impulsos para o bulbo, no encéfalo. Aí, esses impulsos inibem o centro vasomotor, o que, por sua vez, reduz o número de impulsos transmitidos, pelo sistema nervoso simpático, para o coração e para os vasos. Essa diminuição dos impulsos provoca menor atividade de bombeamento pelo coração e maior facilidade para o fluxo de sangue pelos vasos periféricos; esses dois efeitos provocam o abaixamento da pressão arterial até seu valor normal. De modo inverso, queda da pressão arterial relaxa os receptores de estiramento, permitindo que o centro vasomotor fique mais ativo que o usual, o que provoca a elevação da pressão arterial ate seu valor normal. Faixas normais de variação dos constituintes importantes do liquido extracelular O Quadro 1,1 enumera os constituintes mais importantes - junto com suas características físicas - do líquido extracelular, alem de seus valores normais, faixas normais de variação e limites máximos que podem ser mantidos, sem morte, por curtos períodos. Deve ser notado, de forma especial, como é estreita a faixa normal de variação para cada um desses constituintes. Valores fora dessa faixa são, em geral, causa ou resultado de doença. Ainda mais importantes são os limites que, quando ultrapassados, podem levar à morte. Por exemplo, aumento da temperatura corporal de apenas 6 a 7°C acima da normal pode, muitas vezes, gerar um ciclo vicioso de aumento do metabolismo celular que, literalmente, destrói as células. Também deve ser notada a faixa muito estreita para o equilíbrio ácido-básico do corpo, Quadro 1.1 Alguns constituintes importantes e as características físicas do líquido extracelular, sua faixa normal de variação e seus limites não letais aproximados Limites Valor Faixa não-letais normal normal aproximados Unidades Oxigênio 40 35-45 10-1.000 mm Hg Dióxido de carbono 40 35-45 5-80 mm Hg Íonsódio 142 138-146 115-175 mmol/l Íon potássio 4,2 3,8-5,0 1,5-9,0 mmol'l Íon cálcio 1,2 1,0-1,4 0,5-2,0 mmoi'i Íoncloreto 108 103-112 70-130 mmol/l Íon bicarbonato 28 24-32 8-45 mmol/l Glicose 85 75-95 20-1.500 mmol/l Temperatura corporal 37,0 37,0 18,3-43,3 "C Ácido-básico 7,4 7,3-7,5 6,9-8,0 pH com valor normal do pH de 7,4 e valores letais 0,5 abaixo e acima desse valor normal. Outro fator especialmente importante é o íon potássio, pois, sempre que sua concentração cai até menos de um terço da normal, a pessoa tende a ficar paralisada, devido à incapacidade dos nervos de transmitir os sinais nervosos e, caso chegue a aumentar até duas ou mais vezes a normal, é muito possível que o músculo cardíaco fique gravemente deprimido. Por outro lado, quando a concentração do íon cálcio cai abaixo da metade da normal, a pessoa fica suscetível de apresentar contrações tetânicas nos músculos de todo o corpo, devido à geração espontânea de impulsos nervosos nos nervos periféricos. Quando a concentração de glicose fica reduzida a menos da metade da normal, a pessoa, com muita freqüência, apresenta intensa irritabilidade mental e, por vezes, até convulsões. Assim, a análise desses exemplos deve levar à apreciação extrema da importância e, até mesmo, da necessidade de grande número de sistemas de controle, mantenedores do corpo funcionando no estado de saúde; a ausência ou falta de um desses controles pode resultar em doença grave e até em morte, CARACTERÍSTICAS DOS SISTEMAS DE CONTROLE Os exemplos antes apresentados de mecanismos de controle homeostáticos são apenas uns poucos das muitas centenas a milhares existentes no corpo; todos eles possuem determinadas características comuns. Essas características comuns serão explicadas nas páginas seguintes. A natureza de feedback negativo da maioria dos sistemas de controle A maior parte dos sistemas de controle do corpo atua pelo processo de feedback negativo, que pode ser melhor explicado por revisão de alguns dos sistemas de controle homeostáticos apresentados acima. Na regulação da concentração de dióxido de carbono, uma concentração elevada de dióxido de carbono no líquido extracelular provoca aumento da ventilação pulmonar e isso, por sua vez, produz redução da concentração de dióxido de carbono, dado que os pulmões conseguem excretar maior quantidade de dióxido de carbono para fora do corpo. Em outras palavras, a concentração elevada provoca redução dessa concentração, o que é negativo em relação ao estímulo inicial. De modo inverso, caso a concentração de dióxido de carbono caia até valores muito baixos, isso vai produzir aumento por feedback dessa concentração. Essa resposta também é negativa em relação ao estímulo inicial. Nos mecanismos reguladores da pressão arterial, a elevação da pressão causa uma série de reações que resultam em redução da pressão, ou a queda da pressão causa uma série de reações que resultam em elevação da pressão. Nos dois casos, os efeitos são negativos em relação ao estímulo inicial. Por conseguinte, em termos gerais, se algum fator aumenta ou diminui muito, um sistema de controle ativa um feedback negativo, que consiste em uma série de alterações que fazem com que esse fator retorne a determinado valor médio, mantendo, assim, a homeostasia. O "ganho" de um sistema de controle. O grau de eficácia com que um sistema de controle mantém as condições constantes é determinado pelo ganho do feedback negativo. Por exemplo, admita-se que grande volume de sangue foi transfundido em pessoa cujo sistema de controle dos barorreceptores para a pressão não esteja atuando, e que a pressão arterial se eleve de seu valor normal de 100 mm Hg até 175 mm Hg. Em seguida, admita-se que esse mesmo volume de sangue seja transfundido na mesma pessoa, quando seu sistema barorreceptor estiver
  6. 6. 6 atuante e, nesse caso, a pressão só se eleva por 25 mm Hg. Assim, o sistema de controle por feedback produziu "correção" de -50 mm Hg, isto é, de 175 mm Hg para 125 mm Hg. Contudo, ainda persiste um aumento da pressão de +25 mm Hg, o que é chamado de "erro", e que significa que o sistema de controle não é 100% eficaz em impedir a variação da pressão. O ganho do sistema pode ser calculado pelo uso da seguinte relação: Ganho = Correção Erro Assim, no exemplo acima, a correção é de -50 mm Hg e o erro que persiste é de +25 mm Hg. Por conseguinte, o ganho do sistema barorreceptor dessa pessoa, para controle de sua pressão arterial é —50 dividido por +25, o que é igual a - 2. Isso quer dizer que um fator extrínseco que tenda a aumentar ou a diminuir a pressão arterial só exerce efeito de cerca de dois terços do que teria caso o sistema de controle não estivesse atuando. Os ganhos de outros sistemas fisiológicos de controle são muito maiores que o do sistema barorreceptor. Por exemplo, o ganho do sistema regulador da temperatura corporal é de cerca de -33. Por conseguinte, pode-se ver que o sistema de controle da temperatura corporal é muito mais eficaz que o sistema barorreceptor. O feedback positivo — os cicios viciosos e morte causados por feedback positivo Poderá ser feita a seguinte pergunta: Por que, em essência, todos os sistemas de controle do corpo atuam por mecanismo de feedback negativo, e não por feedback positivo? Todavia, se for considerada a natureza do feedback positivo, imediatamente será visto que o feedback positivo nunca leva à estabilidade, mas, sim, à instabilidade e, muitas vezes, à morte. A Fig. 1.3 apresenta um caso em que pode ocorrer morte por feedback positivo. Essa figura apresenta a eficiência de bombeamento do coração, mostrando que o coração de pessoa normal bombeia cerca de 5 litros de sangue por minuto. Contudo, se a pessoa perder, subitamente, 21 de sangue, a quantidade de sangue restante no corpo fica reduzida a nível tão baixo que chega a ser insuficiente para um bombeamento eficaz pelo coração. Como resultado, a pressão arterial cai e o fluxo de sangue para o músculo cardíaco, por meio dos vasos coronários, também diminui. Isso resulta em enfraquecimento do coração, com redução ainda maior do bombeamento, decréscimo adicional do fluxo sanguíneo coronário e enfraquecimento ainda maior do coração. Esse ciclo se repete indefinidamente até a morte. Deve ser notado que cada ciclo de feedback resulta em enfraquecimento adicional do coração. Em outras palavras, o estímulo inicial provoca seu próprio aumento, o que é um feedback positivo. O feedback positivo é melhor conhecido como "ciclo vicioso", mas, na verdade, um grau moderado de feedback positivo pode ser compensado por mecanismos de controle por feedback negativo do corpo, situação na qual não se desenvolverá ciclo vicioso. Por exemplo, se a pessoa do exemplo acima só perdesse 11, e não 2 1, os mecanismos normais de feedback negativo de controle do débito cardíaco e da pressão arterial poderiam anular o feedback positivo, e a pessoa poderia se recuperar, como mostrado pela curva tracejada da Fig. 1.3. Fig. 1.3 Morte causada por feedback positivo quando 21 de sangue são removidos da circulação. do feedback positivo. Quando um vaso sanguíneo é rompido e começa a formação do coágulo, diversas enzimas, chamadas de fatores de coagulação, são ativadas no interior do próprio coágulo. Algumas dessas enzimas atuam sobre outras enzimas, ainda inativas, presentes no sangue imediatamente adjacente ao coágulo, ativando-as e produzindo coagulação adicional. Esse processo persiste até que a rotura do vaso fique ocluída e não mais ocorra sangramento. Infelizmente, por vezes, esse processo pode ficar descontrolado e produzir coágulos indesejados. Na verdade, é isso que desencadeia a maioria dos ataques cardíacos agudos, causados por coágulo que se forma cm placa aterosclerótica em artéria coronária e que cresce até ocluir completamente essa artéria. O parto é outro exemplo de participação de feedback positivo. Quando as contrações uterinas ficam suficientemente intensas para empurrar a cabeça do feto contra a cérvix, o estiramento da cérvix emite sinais, por meio do próprio músculo uterino, até o corpo do útero, que responde com contrações ainda mais intensas. Assim, as contrações uterinas distendem a cérvix e o estiramento da cérvix produz mais contrações. Quando esse processo fica suficientemente intenso, o feto nasce. Caso não sejam suficientemente intensas, essas contrações cessam, para reaparecer alguns dias depois. Finalmente, outro importante uso do feedback positivo é representado pela geração de sinais neurais. Isto é, quando a membrana de uma fibra nervosa é estimulada, isso causa pequeno influxo de íons sódio, através dos canais de sódio da membrana neural, para o interior da fibra. Esses íons sódio que penetram na fibra modificam o potencial de membrana, o que causa abertura de mais canais, levando a maior variação do potencial, abertura de mais canais adicionais, e assim por diante. Assim, de um início bem pequeno, ocorre explosão do influxo de sódio que gera o potencial de ação. Por sua vez, esse potencial de ação excita a fibra nervosa em ponto adiante, o que faz com que esse processo progrida ao longo de todo o comprimento da fibra. Contudo, vai-se aprender que, em cada um desses processos onde o feedback positivo é útil, o próprio feedback positivo faz parte de processo global de feedback negativo. Por exemplo, no caso da coagulação do sangue, o processo de coagulação por feedback positivo é um processo de feedback negativo para a manutenção do volume normal de sangue. E o feedback positivo que gera os sinais neurais permite que os nervos participem em muitos milhares de sistemas de controle por feedback negativo.
  7. 7. 7 Alguns tipos mais complexos de sistemas de controle - os sistemas adaptativos de controle Adiante, quando se estudar o sistema nervoso, será visto que esse sistema contém um emaranhado de sistemas de controle interconectados. Alguns desses sistemas são sistemas de feedback simples, como os que foram discutidos até aqui. Contudo, muitos não o são. Por exemplo, vários movimentos do corpo são tão rápidos que, simplesmente, não há tempo suficiente para que os sinais neurais trafeguem das partes periféricas do corpo até o encéfalo e voltem para a periferia, para regular esses movimentos. Por conseguinte, o encéfalo utiliza um princípio, chamado de controle por feed-forward, para produzir as contrações musculares desejadas. Então, sinais nervosos sensoriais, originados nas partes era movimento, informam o encéfalo de se o movimento apropriado, planejado pelo encéfalo, foi ou não executado. Caso não tenha sido, o encéfalo corrige os sinais de feed-forward que envia para os músculos na próxima vez em que esse movimento vier a ser executado. Então, mais uma vez, se for preciso correção adicional, ela será feita para os movimentos subseqüentes. Isso é chamado de controle adaptativo. Em determinado sentido, é óbvio que o controle adaptativo nada mais é que um feedback negativo retardado. Assim, pode-se ver como são complexos alguns dos sistemas de controle por feedback encontrados no corpo. Em termos literais, a vida da pessoa depende de todos eles. Por conseguinte, grande parte deste texto será dedicada à discussão desses mecanismos protetores da vida. RESUMO - A AUTOMATICIDADE DO CORPO O objetivo deste capítulo foi o de destacar, primeiro, a organização geral do corpo e, segundo, os meios pelos quais as diferentes partes do corpo funcionam em harmonia. Para resumir, o corpo c, na verdade, uma ordem social com cerca de 100 trilhões de células, organizada em diferentes estruturas funcionais, algumas das quais são chamadas órgãos. Cada estrutura funcional contribui com sua cota para a manutenção das condições homeostáticas do líquido extracelular, que é chamado de ambiente interno. Enquanto as condições normais forem mantidas no ambiente interno, as células do corpo continuarão a viver e a funcionar adequadamente. Dessa forma, cada célula se beneficia da homeostasia e, por sua vez, contribui com sua cota para a manutenção dessa homeostasia. Essa interação recíproca resulta em automaticidade contínua do corpo, que perdurará até que um ou mais sistemas funcionais percam sua capacidade de contribuir com sua cota de funcionamento. Quando isso acontece, todas as células do corpo sofrem. A disfunção extrema leva à morte, enquanto a disfunção moderada causa doença. REFERENCIAS Adolph, E. F.: Physiological integrations in action. 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  8. 8. 8 CAPÍTULO 2 A Célula e seu Funcionamento Cada uma das 75 a 100 trilhões de células do corpo humano é uma estrutura viva que pode sobreviver indefinidamente e, em muitos casos, até se reproduzir, desde que os líquidos que a banham contenham os nutrientes adequados. Para a compreensão do funcionamento dos órgãos e das demais estruturas que compõem o corpo humano, é essencial que, primeiro, se conheça a organização básica da célula e o funcionamento de suas partes componentes. ORGANIZAÇÃO DA CÉLULA Uma célula típica, como vista ao microscópio óptico, é apresentada na Fig. 2.1. Seus dois constituintes principais são o núcleo e o citoplasma. O núcleo é separado do citoplasma pela membrana nuclear, enquanto o citoplasma é separado dos fluidos circundantes pela membrana celular. As diferentes substâncias que compõem a célula são chamadas, em conjunto, de protoplasma. Esse protoplasma é formado, em sua maior parte, por cinco substâncias básicas: água, eletrólitos, proteínas, lipídios e carboidratos. Água. O principal meio líquido da célula é a água, presente em concentrações que variam entre 75 e 85%. Muitas substâncias químicas celulares estão dissolvidas na água, enquanto outras ficam em suspensão, sob forma particulada ou membranosa. As reações químicas ocorrem entre as substâncias químicas dissolvidas ou nas superfícies limitantes entre as partículas ou membranas em suspensão e a água. Eletrólitos. Os eletrólitos mais importantes da célula são o potássio, o magnésio, o fosfato, o sulfato, o bicarbonato, e pequenas quantidades de sódio, cloreto e cálcio. Esses eletrólitos serão discutidos em maior detalhe no Cap. 4, onde serão apresentadas as relações entre os líquidos intra e extracelular. Os eletrólitos fornecem as substâncias químicas inorgânicas para as reações celulares. Também são necessários para a operação de diversos mecanismos celulares de controle. Por exemplo, os eletrólitos, atuando ao nível da membrana celular, permitem a transmissão dos impulsos eletroquímicos nas fibras nervosas e musculares, enquanto os eletrólitos intracelulares determinam a velocidade de numerosas reações catalisadas por enzimas, imprescindíveis ao metabolismo celular. Proteínas. Após a água, a substância mais abundante na maioria das células é a proteína que, normalmente, representa de 10 a 20% da massa celular. Essa proteína pode ser dividida em duas classes distintas, as proteínas estruturais e as proteínas globulares, que são, em sua maioria, enzimas. Para se ter idéia do que se quer dizer por proteínas estruturais, apenas será preciso notar que o couro é formado, quase que inteiramente, por proteína estrutural. As proteínas dessa classe existem nas células sob forma de filamentos longos e finos que são, em si mesmos, polímeros de muitas moléculas protéicas. O uso mais freqüente desses filamentos intracelulares é no mecanismo contrátil de todos os músculos. Contudo, outros desses filamentos também ocorrem organizados nos microtúbulos que formam os "citoesqueletos" de organetas como os cílios e o fuso mitótico das células em mitose. No ambiente extracelular, as estruturas fibrilares aparecem nas fibras de colágeno e elásticas do tecido conjuntivo, dos vasos sanguíneos, dos tendões, ligamentos etc. Por outro lado, as proteínas globulares formam classe inteiramente distinta de proteínas, compostas, em gerai, por moléculas protéicas únicas ou, no máximo, por agregado de poucas moléculas, tendo forma globular, e não fibrilar. Essas proteínas são, em sua maioria, as enzimas celulares e, no que diferem das proteínas fibrilares, são, com muita freqüência, solúveis nos líquidos das células ou são parte ou aderem a estruturas membranosas no interior das células. As enzimas entram em contato direto com outras substâncias no interior celular, quando catalisam as reações químicas. Por exemplo, as reações químicas que degradam a glicose em seus componentes e, em seguida, os combinam com o oxigênio, para gerar dióxido de carbono e água, ao mesmo tempo que liberam energia para o funcionamento celular, são catalisadas por várias enzimas protéicas. Lipídios. Os lipídios são formados por diversos tipos diferentes de substâncias, consideradas como pertencentes a uma mesma classe por terem a propriedade comum de serem solúveis em solventes de gorduras. Os tipos mais importantes dos lipídios são os fosfolipídios e o colesterol, que representam cerca de 2% da massa celular total. A importância especial dos fosfolipídios e do colesterol é a de que são quase insolúveis em água e, portan- Fig. 2.1 Estrutura de uma célula como é vista ao microscópio óptico.
  9. 9. 9 to, são usados na formação de barreiras membranosas, separadoras dos diversos compartimentos intracelulares. Além dos fosfolipídios e do colesterol, algumas células contêm grandes quantidades de trigricerídeos, também chamados de gordura neutra. Nas chamadas células adiposas, os triglicerídios representam, muitas vezes, até 95% da massa celular. A gordura armazenada nessas células representa o principal depósito de nutriente armazenador de energia que pode ser mobilizado e utilizado como energia sempre que o corpo necessitar. Carboidratos. Em geral, os carboidratos têm pequena participação no funcionamento estrutural da célula, exceto como parte das moléculas de glicoproteínas, mas têm participação fundamental na nutrição celular. A maioria das células humanas não mantém grandes depósitos de carboidratos que, em geral, representam cerca de 1% de sua massa total. Contudo, o carboidrato, sob forma de glicose, sempre está presente no líquido extracelular circundante, de modo a ser facilmente disponível para a célula. Na maioria das situações, a célula armazena pequena quantidade de carboidrato, sob forma de glicogênio, um polímero insolúvel da glicose e que pode ser rapidamente utilizado para suprir as necessidades energéticas da célula. A ESTRUTURA FÍSICA DA CÉLULA A célula não é, simplesmente, um saco cheio de líquido, enzimas e substâncias químicas; também contem estruturas físicas, extremamente organizadas, muitas delas chamadas organelas, e a natureza física de cada uma delas é tão importante para o funcionamento celular como o são seus constituintes químicos. Por exemplo, sem uma das organelas, as mitocôndrias, mais de 95% do suprimento energético da célula cessaria imediatamente. Algumas das organelas principais são mostradas na Fig. 2.2, incluindo a membrana celular, a membrana nuclear, o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi, as mitocôndrias, os lisossomas e os centríolos. AS ESTRUTURAS MEMBRANOSAS DAS CÉLULAS Em essência, todas as organelas celulares são revestidas por membranas, formadas, em sua maior parte, por lipídios e por proteínas. Essas membranas incluem a membrana celular, a membrana nuclear, a membrana do retículo endoplasmático e as membranas das mitocôndrias, dos lisossomas e do aparelho de Golgi, além de várias outras. Os lipídios dessas membranas formam barreiras que impedem o livre deslocamento da água e das substâncias solúveis em água entre os diferentes compartimentos da célula. As moléculas de proteína, por sua vez, penetram, com certa freqüência, através de toda a espessura dessas membranas, o que interrompe a continuidade da barreira lipídica e, por conseguinte, forma pertuitos para a passagem de substâncias específicas através dessas membranas. Também, muitas das proteínas das membranas são enzimas que catalisam muitas reações químicas diferentes, que serão discutidas adiante neste capítulo e nos subseqüentes. A membrana celular A membrana celular, que reveste inteiramente toda a célula, é uma estrutura muito delgada e elástica, com espessura entre Fig. 2.2 Reconstrução de uma célula típica, mostrando as organelas internas no citoplasma e no núcleo.
  10. 10. 10 7,5 e 10 nanômetros. É formada quase que exclusivamente por proteínas e lipídios. Sua composição aproximada é de 55% de proteínas, 25% de fosfolipídios, 13% de colesterol, 4% de outros lipídios c 3% de carboidratos. A barreira lipídica da membrana celular. A Fig. 2.3 apresenta a membrana celular. Sua estrutura básica é uma bicamada lipídica, que é uma película delgada de lipídios, com a espessura de duas moléculas, contínua por sobre toda a superfície celular. Dispersas nessa película lipídica, existem moléculas de proteínas globulares. A bicamada lipídica é formada quase que inteiramente por fosfolipídios e por colesterol. Parte das moléculas de fosfolipídios c de colesterol é solúvel em água, isto é, hidrofílica, enquanto outra parte só é solúvel em gordura, isto é, hidrofóbica. O radical fosfato dos fosfolipídios é hidrofílico e os ácidos graxos são hidrofóbicos. O colesterol contém um radical hidroxila que é hidrossolúvel e um núcleo esteróide que ê solúvel em gordura. Como as partes hidrofóbicas dessas moléculas são repelidas pela água mas se atraem mutuamente, essas moléculas possuem tendência natural para se alinharem umas às outras, como mostrado na Fig. 2.3, com suas frações graxas ocupando a região central da membrana e com suas regiões hidrofílicas voltadas para sua superfície, em contato com a água que as banha. A bicamada lipídica da membrana representa importante barreira, impermeável às substâncias comuns, hidrossolúveis, tais como íons, glicose, uréia e outras. Por outro lado, as substâncias solúveis em gordura, como o oxigênio, dióxido de carbono e álcool, podem atravessar facilmente essa região da membrana. Característica especial da bicamada lipídica é a de ser um fluido, e não um sólido. Por conseguinte, partes dessa membrana podem, literalmente, fluir de um ponto a outro, ao longo da superfície dessa membrana. As proteínas e outras substâncias dissolvidas ou flutuando na bicamada lipídica tendem a se difundir para todas as áreas da membrana celular. As proteínas da membrana celular. A Fig. 2.3 apresenta massas globulares flutuando na bicamada lipídica. São proteínas da membrana, a maioria das quais é formada por glicoproteínas. São encontrados dois tipos de proteínas: as proteínas integrais, que atravessam toda a espessura da membrana, e as proteínas periféricas, que ficam apenas presas à superfície da membrana. sem atravessá-la. Muitas das proteínas integrais formam canais (ou poros) estruturais, pelos quais podem difundir as substâncias hidrossolúveis, especialmente os íons, entre os líquidos intra a extracelular. Contudo, essas proteínas apresentam propriedades seletivas que produzem difusão diferencial de algumas substâncias mais que de outras. Outras proteínas integrais atuam como proteínas carreadoras para o transporte de substâncias na direção oposta à natural de sua difusão, o que é chamado de "transporte ativo". Outras, ainda, são enzimas. As proteínas periféricas ocorrem quase inteiramente na face interna da membrana e, normalmente, ficam presas a uma das proteínas integrais. Essas proteínas periféricas atuam quase que exclusivamente como enzimas. Os carboidratos da membrana — o "glicocálise" celular. Os carboidratos da membrana aparecem, de modo quase invariável, em combinação com proteínas e lipídios, sob a forma de glicoproteínas e de glicolipídios. Na verdade, a maioria das proteínas integrais é composta de glicoproteínas e cerca de um décimo das moléculas lipídicas é de glicolipídios. A fração "glico" dessas moléculas, quase que invariavelmente, proemina na face externa da célula, chegando a ficar pendurada para fora da célula. Muitos outros compostos carboidratos, chamados proteoglicanos, formados principalmente por carboidratos unidos entre si por pequenos núcleos protéicos, podem, por vezes, também ocorrer frouxamente ligados à superfície externa da célula. Assim, toda a superfície externa da célula é, muitas vezes, inteiramente revestida por capa de carboidrato, chamada de glicocálice. Os radicais carboidratos presos à superfície externa da célula desempenham diversas funções importantes: (1) muitos deles têm carga negativa, o que dá, à maioria das células, uma carga global negativa em sua superfície, o que repele qualquer coisa que também seja portadora de carga negativa; (2) o glicocálice de muitas células se fixa ao glicocálice de outras células, o que serve para fixar (ou unir) as células entre si; (3) muitos desses carboidratos atuam como substâncias receptoras para a fixação de hormônios, como a insulina, e, ao fazê-lo, ativam proteínas integrais que, por sua vez, ativam uma cascata de enzimas intracelulares; e (4) alguns participam de reações imunes, como discutido no Cap. 34. Fig. 2.3 Estrutura da membrana celular, mostrando que é composta, principalmente, de bicamada lipídica, com grande número de moléculas de proteína protruindo através dessa bicamada. Também existem moléculas de carboidrato presas às moléculas de proteína na face externa da membrana, além de moléculas adicionais de proteína em sua face interna. (De Lodish e Rothman: The assembly of cell membranes, Sei, Amer., 240:48, 1979. Copyright 1979 by Scientific American Inc. Todos os direitos reservados.)
  11. 11. 11 O CITOPLASMA E SUAS ORGANELAS O citoplasma é cheio de partículas e organelas dispersas, com tamanhos que vão de poucos nanômetros até muitos micrômetros. Aparte líquida clara do citoplasma, onde ficam dispersas essas partículas e organelas, é chamada de citosol; ele contém muitas proteínas, eletrólitos, glicose e quantidades diminutas de compostos lipídicos dissolvidos. A região do citoplasma imediatamente abaixo da membrana celular contém, com muita freqüência, um emaranhado de micro- filamentos, formado, em sua maior parte, por fibrilas de actina. Essa estrutura forma um sistema de sustentação semi-sólido, com a consistência de gel, para a membrana celular. Essa região do citoplasma é chamada de córtex ou de ectoplasma. A parte do citoplasma que fica entre o córtex e a membrana nuclear é líquida e chamada de endoplasma. Ocorrem, dispersos no citoplasma, gotículas de gordura neutra, grânulos de glicogênio, ribossomas, grânulos secretórios e cinco organelas especialmente importantes: o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi, as mitocôndrias, os lisossomas e os peroxissomas. O retículo endoplasmático A Fig. 2.2 mostra, no citoplasma, uma rede de estruturas tubulares e vesiculares achatadas, chamada de retículo endoplasmático. Os túbulos e as vesículas se intercomunicam. Por outro lado, suas paredes são formadas por membranas de bicamada lipídica, contendo grande quantidade de proteínas, como ocorre na membrana celular. A área total da superfície dessa estrutura em determinadas células — como, por exemplo, as hepáticas — pode chegar até a 30 ou 40 vezes maior que a de toda a superfície celular. Um detalhe da estrutura de pequena parte do retículo endoplasmático é mostrado na Fig. 2.4. O espaço no interior dos túbulos e das vesículas é cheio com a matriz endoplasmática, um meio líquido que difere do encontrado por fora do retículo endoplasmático. Micrografias eletrônicas mostram que o espaço no interior do retículo endoplasmático está conectado ao espaço entre as duas membranas da dupla membrana nuclear. As substâncias sintetizadas em outras regiões da célula penetram nesse espaço do retículo endoplasmático e são levadas até outras partes da célula. Por outro lado, a imensa área da superfície desse retículo, além dos múltiplos sistemas enzimáticos presentes em suas membranas, compõe o maquinário para fração importante das funções metabólicas da célula. Ribossomas e o retículo endoplasmático granular. Existem, fixadas à superfície externa de muitos trechos do retículo endoplasmático, pequenas partículas granulares, denominadas ribossomas Nas regiões do retículo endoplasmático onde isso ocorre, esse retículo é chamado de retículo endoplasmático granular. Os ribossomas são formados por mistura de ácido ribonucléico (ARN) e de proteínas e atuam na síntese de proteínas pelas células, como discutido adiante neste capítulo e no seguinte. O retículo endoplasmático agranular. Parte do retículo endoplasmático não tem ribossomas fixados a ele. Essa parte é chamada de retículo endoplasmático agranular, ou liso. O retículo agranular atua na síntese de substâncias lipídicas e de muitos outros processos enzimáticos das células. O aparelho de Golgi O aparelho de Golgi, mostrado na Fig. 2.5, é intimamente relacionado ao retículo endoplasmático. Possui membranas semelhantes às do retículo endoplasmático agranular. Em geral, é formado por quatro a cinco camadas empilhadas de vesículas fechadas, delgadas e achatadas, situadas próximo ao núcleo. Esse aparelho é muito proeminente nas células secretoras; nelas fica situado no lado da célula por onde são extrudadas as substâncias secretórias. O aparelho de Golgi funciona associado ao retículo endoplasmático. Como mostrado na Fig. 2.5, pequenas "vesículas de transporte", também chamadas vesículas de retículo endoplasmático ou, simplesmente, vesículas RE, são formadas, de forma contínua, pelo retículo endoplasmático e, em seguida, se fundem com o aparelho de Golgi. Desse modo, as substâncias são transferidas do retículo endoplasmático para o aparelho de Golgi. As substâncias transferidas são, em seguida, processadas no aparelho de Golgi, para formar lisossomas, vesículas secretórias ou outros componentes citoplasmáticos, discutidos adiante neste capítulo. Os lisossomas Os lisossomas são organelas vesiculares, formadas pelo aparelho de Golgi e que, em seguida, ficam dispersas por todo o citoplasma. Os lisossomas formam um sistema digestivo intracelular que permite que a célula digira e, por conseguinte, remova substâncias e estruturas indesejadas, em especial estruturas estranhas ou lesadas, tais como bactérias. O lisossoma, mostrado na Fig. 2.2, difere muito de uma célula para outra, mas, em geral, tem diâmetro entre 250 e 750 nm. É limitado por membrana de bicamada lipídica típica e seu interior é cheio de pequenos grânulos, com diâmetro entre 5 e 8 nm, que são agregados protéicos de enzimas hidrolíticas (digestivas). Uma enzima hidrolítica Fig. 2.4 Estrutura do retículo endoplasmático. (Modificado de De Ro- bertis, Saez e De Robertis: Cell Biology. 6. ed. Philadelphia, W.B. SaundersCo., 1975.) Fig. 2.5 Um típico aparelho de Golgi e sua relação com o retículo endoplasmático e com o núcleo.
  12. 12. 12 é capaz de degradar um composto orgânico em dois ou mais componentes, por combinar um hidrogênio, derivado da água, com parte desse composto, e peia combinação da hidroxila da molécula de água com outra parte desse composto. Por exemplo, a proteína é hidrolisada para formar aminoácidos, enquanto o glicogênio é hidrolisado para formar glicose. Mais de 50 hidrolases ácidas já foram identificadas nos lisossomas, e as principais substâncias que essas organelas podem hidrolisar são as proteínas, os ácidos nucléicos, os mucopolissacarídeos, os lipídios e o glicogênio. Comumente, a membrana que envolve o lisossoma impede que as enzimas hidrolíticas de seu interior entrem em contato com as outras substâncias no interior celular. Todavia, numerosas e diversas condições celulares podem romper a membrana de, pelo menos, alguns lisossomas, o que produz a liberação dessas enzimas. Como resultado, essas enzimas degradam as substâncias orgânicas com que entram em contato, produzindo substâncias muito difusíveis, como aminoácidos e glicose. Algumas das funções mais específicas dos lisossomas são discutidas adiante neste capítulo. Os peroxissomas Os peroxissomas são, cm termos físicos, semelhantes aos lisossomas, mas diferem deles por dois aspectos importantes: primeiro, admite-se que sejam formados pelo retículo endoplasmático liso, e não pelo aparelho de Golgi; segundo, as enzimas em seu interior são oxidases, e não hidrolases. Diversas dessas oxidases são capazes de combinar o oxigênio com o íon hidrogênio para formar peróxido de hidrogênio (H2O2). O peróxido de hidrogênio, por sua vez, é composto altamente oxidante e que atua associado à catalase, outra enzima oxidase presente em alta concentração nos peroxissomas, na oxidação de muitas substâncias que, de outra forma, intoxicariam a célula. Por exemplo, a maior parte do álcool ingerido por uma pessoa é detoxificado pelos peroxissomas das células hepáticas por esse mecanismo. O mecanismo oxidativo peróxido de hidrogênio catalase também é usado para finalidades funcionais específicas da célula, tais como a degradação de ácidos graxos a acetil-CoA que, em seguida, é utilizado como energia pela célula. Vesículas secretárias Uma das funções importantes de muitas células é a secreção de substâncias especiais. Quase todas as substâncias secretórias desse tipo são formadas pelo sistema retículo endoplasmático- aparelho de Golgi e são, em seguida, liberadas pelo aparelho de Golgi no citoplasma no interior de vesículas de armazenamento, chamadas vesículas secretórias ou grânulos secretários. A Fig. 2.6 mostra vesículas secretórias típicas no interior de células acinares pancreáticas, armazenando proenzimas protéicas (enzimas que ainda não foram ativadas); essas proenzimas vão ser, algum tempo depois, secretadas através de membrana celular externa para o dueto pancreático e, por meio dele, atingem o duodeno, onde vão ser ativadas e desempenhar suas funções digestivas. As mitocôndrias As mitocôndrias são chamadas de "usinas" celulares. Sem elas, as células seriam incapazes de extrair quantidades significativas de energia dos nutrientes e do oxigênio, e, como conseqüência, para todos os efeitos práticos, cessaria todo o funcionamento celular. Como mostrado na Fig. 2.2, essas organelas são encontradas disseminadas por quase todo o citoplasma, mas seu número total varia desde menos de cem até vários milhares, dependendo da quantidade de energia exigida pela célula. Fíg. 2.6 Grânulos secretórios nas células acinares do pâncreas. Ainda mais, as mitocôndrias ficam concentradas nas regiões celulares que são responsáveis pela maior fração de seu metabolismo energético. Por outro lado, o tamanho das mitocôndrias é muito variável, assim como sua forma; algumas têm diâmetro de apenas poucas centenas de nanômetros, com forma globular, enquanto outras podem ter até 1 m de diâmetro e comprimento de 7 m, com forma filamentosa ou ramificada. A estrutura básica da mitocôndria é mostrada na Fig. 2.7, onde aparece formada, em sua maior parte, por duas membranas de dupla camada lipídica: uma membrana externa e outra membrana interna. Muitas pregas da membrana interna formam as cristas, sobre as quais ficam presas enzimas oxidativas. Além disso, a cavidade interna de cada mitocôndria c cheia com matriz contendo grande quantidade de enzimas dissolvidas, que são necessárias para a extração de energia dos nutrientes. Essas enzimas atuam associadas às enzimas oxidativas das cristas, para efetuar a oxidação dos nutrientes, do que resulta a formação de dióxido de carbono e água. A energia liberada c utilizada na síntese de substância com alta energia, chamada trifosfato de adenosina (ATP). Em seguida, o ATP é transportado para fora da mitocôndria, difundindo-se por toda a célula e liberando sua energia sempre e onde for necessário para a execução das funções celulares. Os detalhes da síntese do ATP pelas mitocôndrias são apresentados no Cap. 67 e algumas das importantes funções do ATP são apresentadas adiante neste capítulo. As mitocôndrias são auto-replicativas, o que significa que uma mitocôndria pode dar origem a uma segunda, a uma terceira, e assim por diante, sempre que houver necessidade celular de Fig. 2.7 Estrutura da mitocôndria. (Modificado de De Robertis, Saez e De Robertis, Ceil Bivlogy. 6. ed. Philadelphia, W.B. Saunders Co., 1975.)
  13. 13. 13 quantidades aumentadas de ATP. Na verdade, as mitocôndrias contêm ácido desoxirribonucléico (ADN) semelhante ao encontrado no núcleo. No capítulo seguinte, será destacado que o ADN é a substância básica do núcleo, controladora da replicação celular. Essa substância desempenha função semelhante na mitocôndria, porém não idêntica, visto que, no processo de replicação mitocondrial, muitas proteínas e lipídios que já foram formados no citoplasma são incorporados às mitocôndrias, quando estas aumentam de volume e produzem brotamentos, que são as novas mitocôndrias. Estruturas filamentosas e tubulares das células As proteínas fibrilares da célula estão, em geral, organizadas em filamentos ou túbulos. Tais estruturas têm origem como moléculas protéicas precursoras, sintetizadas pelos ribossomas e que aparecem, inicialmente, dissolvidas no citoplasma. Aí, elas polimerizam para formar filamentos. Já foi destacada a presença freqüente de grande número de filamentos de actina na zona externa do citoplasma, a região chamada de ectoplasma, dando sustentação elástica à membrana celular. Também, nas células musculares, os filamentos ocorrem organizados em mecanismo contrátil especializado que é a base da contração muscular em todo o corpo, como discutido em detalhe no Cap. 6. Um tipo especial de filamento, formado por moléculas polimerizadas de tubulina, é usado por todas as células para a construção de estruturas tubulares, os microtúbulos. Quase invariavelmente, eles são formados por 13 protofilamentos de tubulina, paralelos entre si, formando círculo, compondo longo cilindro oco, com diâmetro de cerca de 25 nm e comprimento que varia de 1 a muitos micrômetros. Tais cilindros aparecem, com freqüência, sob forma de feixes, o que lhes confere, em conjunto, considerável resistência estrutural. Contudo, os microtúbulos são estruturas rígidas, que quebram se forem dobradas em demasia. A Fig. 2.8 mostra microtúbulos típicos, extraídos do flagelo de um espermatozóide. Outro exemplo de microtúbulo é a estrutura mecânica tubular dos cílios, que lhes confere resistência estrutural, que se irradiam desde o citoplasma celular até a ponta do cílio. Por outro lado, os centríolos e o fuso mitótico das células em mitose são formados por microtúbulos rígidos. Dessa forma, uma função primária dos microtúbulos é a de atuar como um citoesqueleto, formando estruturas físicas rígidas para determinadas regiões celulares. Mas o citoplasma, com freqüência se escoa (flui) na vizinhança dos microtúbulos, o que poderia ser explicado pelo movimento dos braços que se projetam para fora dos microtúbulos. O NÚCLEO O núcleo é o centro controlador da célula. De modo resumido, o núcleo contém grande quantidade de ADN, a que se chamou, por muitos anos, genes. Os genes determinam as características das enzimas protéicas do citoplasma e, por esse meio, regulam as atividades citoplasmáticas. Também controlam a reprodução; os genes, primeiro, se reproduzem e, após isso, a célula se divide por processo especial, chamado mitose, para formar duas células filhas, cada uma recebendo um dos dois conjuntos de genes. Todas essas atividades nucleares são apresentadas em detalhes no próximo capítulo. A imagem microscópica do núcleo não dá muitos indícios sobre os mecanismos que usa para o desempenho de suas atividades. A Fig. 2.9 apresenta a imagem, por microscópio óptico, do núcleo na interfase (o período entre as mitoses), com o material que se cora intensamente, a cromatina, presente em todo o nucleoplasma. Durante a mitose, a cromatina fica facilmente identificável como os cromossomas extremamente estruturados, que podem ser observados com facilidade pelo microscópio óptico, como discutido no Cap. 3. O envelope nuclear O envelope nuclear é, com freqüência, denominado membrana nuclear. Contudo é, na verdade, formado por duas membranas distintas, uma por dentro da outra. A membrana externa é contínua com o retículo endoplasmático, c o espaço entre as duas membranas nucleares também é contínuo com o compartimento no interior do retículo endoplasmático. O envelope nuclear é atravessado por vários milhares de poros nucleares. Esses poros são muito grandes, com quase 10 nm de diâmetro. Contudo, grandes complexos de proteínas ficam presos às bordas desses poros, de modo que seus orifícios centrais Fig. 2.8 Microtúbulos dissecados do flagelo de espermatozóide. (De Porter: Ciba Foundation Symposium: Principies of Biomolecuhr Organizaiion. Boston, Little, Brown & Co, 1966)
  14. 14. 14 Fig. 2.9 Estruturadonúcleo. têm, apenas, 9 nm de diâmetro. Mesmo assim, esses poros são suficientemente grandes para permitir a passagem de moléculas com peso molecular de até 44.000 com relativa facilidade; moléculas com peso molecular abaixo de 15.000 os atravessam com extrema rapidez. Nucléolos Os núcleos da maioria das células contêm uma ou mais estruturas que se coram levemente, chamadas nucléolos. O nucléolo, ao contrário da maioria das organelas discutidas até aqui, não apresenta membrana limitante. Pelo contrário, é, simplesmente, uma estrutura que contém grande quantidade de ARN e de proteínas dos tipos encontradas nos ribossomas. O nucléolo fica muito aumentado quando a célula está sintetizando ativamente proteínas. Os genes de cinco cromossomas distintos sintetizam o ARN e o armazenam no nucléolo, a partir de ARN fibrilar frouxo que, depois, se condensa para formar as "subunidades" granulares dos ribossomas. Estas, por sua vez, são transportadas através dos poros da membrana nuclear até o citoplasma, onde se agregam para formar os ribossomas "maduros" que desempenham papel fundamental na formação de proteínas, tanto no citoplasma como em associação com o retículo endoplasmático, como será discutido em mais detalhes no capítulo seguinte. COMPARAÇÃO DA CÉLULA ANIMAL COMAS FORMAS PRÉ-CELULARES DE VIDA Muitos de nós imaginam que a célula seja a forma mais simples de vida. Todavia, a célula é organismo muito complexo e que exigiu muitas centenas de milhões de anos para se desenvolver depois que a forma inicial da vida, um organismo semelhante aos vírus atuais, primeiro apareceu na terra. A Fig. 2.10 mostra as dimensões relativas dos menores vírus conhecidos, de um vírus grande, de uma rickettsia, de uma bactéria e de uma célula nucleada, esta célula tendo diâmetro 1.000 vezes maior que o do menor vírus e, por conseguinte, com volume 1bilhão de vezes maior que o desse vírus. Como conseqüência, o funcionamento e a organização anatômica da célula também são muitíssimo mais complexos que o do vírus. O constituinte essencial do vírus, responsável por ele ser vivo, é o ácido nucléico, envolto por capa de proteína. Esse ácido nucléico é formado pelos mesmos constituintes básicos (ADN e ARN) encontrados nas células de mamíferos e será capaz de se reproduzir caso existam condições adequadas. Assim, um vírus é capaz de propagar sua linhagem, de geração a geração, e, portanto, é uma estrutura viva, do mesmo modo como o são uma célula e um organismo humano. Com a evolução da vida, outras substâncias químicas, além dos ácidos nucléicos e simples proteínas, passaram a fazer integralmente parte do organismo, e funções especializadas começaram a se desenvolver em diferentes partes do vírus. Surgiram, assim, uma membrana, formada Fig. 2.10 Comparação entre as dimensões de organismos pré-celulares e uma célula típica do corpo humano. a seu redor, e uma matriz fluida, por dentro dessa membrana. No interior dessa matriz, desenvolveram-se substâncias químicas especializadas para a execução de funções especiais; muitas enzimas protéicas surgiram, capazes de catalisar reações químicas e, como conseqüência, de determinar as atividades desse organismo. Em estágios mais avançados, de modo especial, nos estágios de rickettsia e de bactéria, organelas se desenvolveram no interior do organismo, representadas por estruturas físicas de agregados químicos, capazes de executar funções de forma bem mais eficiente que as substâncias químicas dispersas por toda a matriz fluida. Finalmente, na célula nucleada, ocorreu o desenvolvimento de organelas ainda mais complexas, a mais importante delas sendo o próprio núcleo. O núcleo distingue esse tipo celular de todas as outras formas mais inferiores de vida; essa estrutura estabelece um centro de controle de todas as atividades celulares e permite uma reprodução muito precisa de novas células, geração após geração, cada nova célula possuindo, em essência, a mesma estrutura de seu progenitor. SISTEMAS FUNCIONAIS DA CÉLULA No restante deste capítulo, serão discutidos diversos sistemas funcionais representativos da célula, que a tornam um organismo vivo. INGESTÃO PELA CÉLULA - ENDOCITOSE Se a célula vai viver e crescer, ela deverá obter nutrientes e outras substâncias dos líquidos que a banham. A maioria das substâncias atravessa a membrana por difusão e por transporte ativo, discutidos em detalhe no Cap. 4. Contudo, grandes partículas atingem o interior da célula por meio de função especializada da membrana celular, chamada endocitose, As duas formas principais de endocitose são a pinocitose e a fagocitose. Pinocitose significa ingestão de vesículas extremamente pequenas, contendo líquido extracelular. Fagocitose significa ingestão de grandes partículas, tais como bactérias, células ou restos de tecido em degeneração. Pinocitose. A pinocitose ocorre continuamente na membrana da maioria das células, mas de modo especialmente rápido em algumas células. Por exemplo, nos macrófagos, ocorre de forma tão rápida que cerca de 3% da membrana total dessas células são engolfados, sob forma de vesículas, a cada minuto. Mesmo assim, visto que as vesículas pinocíticas são muito pequenas, com diâmetros de 100 a 200 nm, elas só podem, em geral, ser vistas ao microscópio eletrônico. A pinocitose representa o único meio pelo qual algumas macromoléculas bastante grandes, tais como a maioria das moléculas;
  15. 15. 15 Fig. 2.11 Mecanismo da pinocitose cuias de proteína podem entrar nas células. Na verdade, a velocidade de formação das vesículas pinocíticas fica aumentada quando essas macro moléculas se fixam à membrana celular. A Fig. 2.11 mostra as etapas sucessivas da pinocitose, a partir de três moléculas que se fixam à membrana celular. Geralmente, essas moléculas se prendem a receptores na superfície da membrana celular, que são específicos para os tipos de proteínas que vão ser absorvidas. Esses receptores, na maioria dos casos, ficam concentrados em pequenas depressões da membrana celular, denominadas depressões espessadas. Na face interna da membrana celular, por baixo dessas depressões, existe uma malha de uma proteína fibrilar, chamada de clatrina, além de filamentos contrateis de actina e de miosina. Uma vez tendo ocorrido a fixação das moléculas de proteína a seus receptores, as propriedades da superfície da membrana se alteram, de modo que toda a depressão se invagina para dentro da célula e as proteínas contrateis fazem com que seus bordos se fechem, englobando as proteínas fixadas e pequena quantidade de líquido extracelular. Imediatamente após, a porção invaginada da membrana se solta da superfície celular, formando uma vesícula pinocítica. Permanece ainda como mistério o mecanismo que faz com que a membrana celular passe pelas contorções necessárias para formar as vesículas pinocíticas. Contudo, esse processo necessita de energia, vinda do interior da célula; essa energia é suprida pelo ATP, substância rica em energia, discutida adiante neste capítulo. Por outro lado, também necessita da presença de íons cálcio no líquido extracelular, que, provavelmente, reagem com os filamentos contrateis, por baixo da depressão, para gerar a força que leva à separação da vesícula da membrana celular. Fagocitose. A fagocitose ocorre quase que do mesmo modo que a pinocitose, exceto que envolve grandes partículas, e não moléculas. Apenas determinados tipos celulares têm capacidade fagocítica, de forma mais acentuada os macrófagos teciduais e alguns glóbulos brancos. A fagocitose tem início quando proteínas ou grandes polissacarídios da superfície da partícula que vai ser fagocitada — isto é, uma bactéria, uma célula morta ou qualquer outro detrito tecidual — fixam-se a receptores na superfície do fagócito. No caso das bactérias, elas estão, geralmente, ligadas a anticorpos específicos, e são esses anticorpos que se prendem aos receptores fagocíticos. Essa intermediação por anticorpos é chamada de opsonizaçâo, e é discutida nos Caps. 33 e 34. A fagocitose ocorre nas seguintes etapas: 1. Os receptores da membrana celular fixam-se aos ligandos superficiais da partícula. 2. As bordas da membrana em torno desses pontos de fixação se evaginam, dentro de fração de segundo, cercando a partícula; em seguida, de forma progressiva, mais e mais receptores da membrana se fixam aos ligandos das partículas, tudo isso ocorrendo, de modo abrupto, como o fechamento de um zíper. 3. Filamentos de actina, além de outros, também contrateis, circundam a partícula engolfada e se contraem, em torno de sua margem externa, o que empurra a partícula mais para dentro. 4. As proteínas contráteis, então, destacam a vesícula fagocítica, deixando-a no interior celular, do mesmo modo pelo qual são formadas as vesículas pinocíticas. DIGESTÃO DE SUBSTÂNCIAS ESTRANHAS PELAS CÉLULAS — A FUNÇÃO DOS LISOSSOMAS Quase imediatamente após a chegada de vesícula pinocítica ou fagocítica no interior celular, um ou mais lisossomas se prendem a ela c despejam seu conteúdo de hidrolases ácidas em seu interior, como mostrado na Fig. 2.12. Dessa forma, é formada uma vesícula digestiva, onde as hidrolases iniciam a hidrólise das proteínas, do glicogênio, dos ácidos nucléicos, dos mucopo-lissacarídios e outras substâncias contidas na vesícula. Os produtos dessa digestão são moléculas pequenas de aminoácidos, glicose, fosfatos etc que, em seguida, difundem-se através da membrana, para o citoplasma. O que resta da vesícula, chamado de corpo residual, representa as substâncias indigeríveis. Na maioria dos casos, eles são excretados, através da membrana celular, pelo processo denominado exocitose, que é, em essência, o oposto da endocitose. É por isso que os lisossomas são chamados de órgãos digestivos das células. Regressão dos tecidos e autólise celular. Muitas vezes, os tecidos do corpo regridem de tamanho. Por exemplo, isso ocorre no útero, após o parto, nos músculos, durante períodos longos de inatividade, e nas glândulas mamarias, ao término do período de amamentação. Os lisossomas são responsáveis por grande parte dessa regressão. Contudo, o mecanismo pelo qual a falta de atividade de um tecido leva a aumento da atividade dos lisossomas ainda é desconhecido. Outro papel muito especial dos lisossomas é o da remoção de células lesadas ou da parte do tecido onde existam células lesadas — células lesadas por calor, por frio, por trauma, por agentes químicos, ou por qualquer outro fator. A lesão celular causa rotura dos lisossomas, e as hidrolases liberadas começam imediatamente a digerir as substâncias orgânicas das cercanias. Se a lesão for pequena, apenas uma parte da célula será removida, seguida por seu reparo. Todavia, se a lesão for grave, toda a célula será digerida, processo que é chamado de autólise. Desse modo, toda a célula será removida e, comumente, uma nova Fig. 2.12 Digestão das substâncias contidas nas vesículas pinocíticas pelas enzimas dos lisossomas.
  16. 16. 16 célula do mesmo tipo, formada por reprodução mitótica de célula vizinha, toma o lugar da que foi removida. Os lisossomas também contêm agentes bactericidas, capazes de matar as bactérias antes que possam causar lesão à célula. Esses agentes incluem a lisozima, que dissolve a membrana da célula bacteriana, a lisoferrina, que fixa ferro e outros metais imprescindíveis para o crescimento bacteriano, e ácido, em pH de cerca de 5,0, que ativa as hidrolases e também inativa alguns dos sistemas metabólicos bacterianos. Os lisossomas também armazenam enzimas que podem iniciar a digestão de agregados lipídicos e dos grânulos de glicogênio, tornando o lipídio c o glicogênio disponíveis para a utilização em outras regiões da célula e, até mesmo, do corpo. Na ausência dessas enzimas, o que resulta de distúrbios genéticos ocasionais, ocorre, muitas vezes, acúmulo de quantidades muito grandes de lipídios ou de glicogênio nas células de muitos órgãos, especialmente nas do fígado, o que leva à morte precoce. SÍNTESE E FORMAÇÃO DE ESTRUTURAS CELULARES PELO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO E PELO APARELHO DE GOLGI A grande extensão do retículo endoplasmático e do aparelho de Golgi, especialmente nas células secretoras, já foi destacada. Essas duas estruturas são formadas, principalmente, por membranas de bicamada lipídica, e suas paredes são literalmente cravejadas de enzimas protéicas que catalisam a síntese de muitas das substâncias necessárias às células. Em geral, a maior parte dessa síntese começa no retículo endoplasmático, mas a maioria dos produtos que são aí formados é transferida para o aparelho de Golgi, onde passam por processamento adicional, antes de serem liberados no citoplasma. Mas, primeiro, deve-se notar quais os produtos que são sintetizados em regiões especiais do retículo endoplasmático e do aparelho de Golgi. Formação de proteínas pelo retículo endoplasmático granular. O retículo plasmático granular é caracterizado pela presença de grande número de ribossomas presos à face externa da membrana do retículo. Como discutido no capítulo seguinte, as moléculas de proteína são sintetizadas no interior da estrutura ribossômica. Ainda mais, os ribossomas extrudam muitas das moléculas de proteína sintetizadas, não para o citosol, mas, ao contrário, através da parede do retículo endoplasmático, para a matriz endoplasmática. Quase tão rapidamente como as moléculas de proteína chegam à matriz endoplasmática, as enzimas da parede do retículo endoplasmático as modificam. Primeiro, quase todas as moléculas são imediatamente glicosiladas, isto é, conjugadas com radicais de carboidratos, para formar glicoproteínas. Portanto, essencialmente, todas as proteínas endoplasmáticas são glicoproteínas, diferindo das proteínas formadas pelos ribossomas no citosol, que são, em sua maioria, proteínas livres. Segundo, as proteínas são ligadas entre si e dobradas, para formar moléculas mais compactas. Síntese de lipídios pelo retículo endoplasmático, em especial, pelo retículo endoplasmático liso. O retículo endoplasmático também sintetiza lipídios, especialmente, fosfolipídios e colesterol. Eles são rapidamente incorporados à bicamada lipídica do próprio retículo endoplasmático, o que permite que esse retículo cresça continuamente. Isso ocorre, sobretudo na região lisa do retículo endoplasmático. Para impedir que o retículo endoplasmático cresça além dos limites da célula, pequenas vesículas — denominadas vesículas do retículo endoplasmático, ou vesículas transportadoras — desprendem-se continuamente do retículo liso; será visto adiante que a maioria dessas vesículas migra, com muita rapidez, para o aparelho de Golgi. Outras funções do retículo endoplasmático. Outras funções importantes do retículo endoplasmático — e, de novo, especialmente do retículo liso — são: 1. Contém as enzimas que controlam a degradação do glicogênio, quando esse composto é usado para energia. 2. Contém número muito grande de enzimas que são capazes de detoxificar as substâncias que estão lesando as células, como os medicamentos; esse resultado é obtido por coagulação, hidrólise, conjugação com ácido glicurônico e por outros meios. Funções sintéticas do aparelho de Golgi. Embora a principal função do aparelho de Golgi seja a de processar substâncias já formadas no retículo endoplasmático, essa estrutura também tem capacidade para sintetizar determinados carboidratos que não podem ser formados no retículo endoplasmático. Isso é particularmente verdadeiro para o ácido siálico e para a galactose. Além disso, o aparelho de Golgi pode formar polímeros sacarídios muito grandes e fixados a quantidades muito pequenas de proteína; os mais importantes são o ácido hialurônico e o condroiti-nossulfato. Entre as muitas funções desses dois polímeros no corpo merecem destaque: (1) são os principais componentes dos proteoglicanos secretados no muco e em outras secreções glandulares: (2) são os principais componentes da substância fundamental que preenche os espaços intersticiais, atuando como "recheio" entre as fibras de colágeno e as células; e (3} são os principais componentes da matriz orgânica das cartilagens e dos ossos. Processamento das secreções endoplasmáticas pelo aparelho de Golgi — a formação de vesículas. A Fig. 2.13 resume as principais funções do retículo endoplasmático e de aparelho de Golgi. À medida que as substâncias vão sendo formadas no retículo endoplasmático — em especial, proteínas —, elas são transportadas pelos túbulos até as regiões do retículo endoplasmático liso situadas mais próximas ao aparelho de Golgi. Nesse ponto, pequenas vesículas de transporte se destacam, de modo contínuo, e difundem para as partes mais profundas do aparelho de Golgi. No interior dessas vesículas ficam as proteínas e outros produtos sintetizados. Instantaneamente, essas vesículas se fundem com o aparelho de Golgi e despejam seu conteúdo nos espaços vesiculares dessa estrutura. Aí são adicionados radicais adicionais de carboidrato a essas secreções. Por outro lado, é função muito importante do aparelho de Golgi a de compactar as secreções do retículo endoplasmático em "pacotes" muito concentrados. Conforme as secreções migram para as camadas mais externas do aparelho de Golgi, essa compactação e o processamento continuam; finalmente, vesículas, tanto grandes como pequenas, se destacam continuamente do aparelho de Golgi, levando consigo Fig. 2.13 Formação de proteínas, lipídios e vesículas celulares pelo retículo endoplasmático e pelo aparelho de Golgi,
  17. 17. 17 as substâncias secretórias compactadas, e, em seguida, difundem-se para fora da célula. Para se ter idéia do decurso temporal desses processos: quando uma célula glandular é imersa em solução com aminoácidos radioativos, moléculas de proteína radioativa recém-formadas podem ser detectadas no retículo endoplasmático após 3 a 5 minutos; dentro de 20 minutos, essas proteínas recém-formadas estão presentes no aparelho de Golgi e, dentro de 1 a 2 horas, essas proteínas radioativas são secretadas da superfície celular. Tipos de vesículas formadas pelo aparelho de Golgi — vesículas secretoras e lisossomas. Em célula intensamente secretora, as vesículas formadas pelo aparelho de Golgi são, em sua grande maioria, vesículas secretárias, contendo especialmente as substâncias protéicas que vão ser secretadas pela superfície celular. Essas vesículas se difundem para a superfície das células, onde se fundem com a membrana celular e esvaziam seu conteúdo no exterior, pelo processo chamado exocitose, que é, em essência, o oposto da endocitose. Na maioria dos casos, a exoeitose é estimulada pela entrada de íons cálcio na célula; esses íons cálcio interagem com a membrana vesicular — por mecanismo ainda não esclarecido — para provocar sua fusão com a membrana. Por outro lado, parte das vesículas é destinada à utilização intracelular. Por exemplo, regiões especializadas do aparelho de Golgi formam os lisossomas, já discutidos. Acredita-se que as membranas dessas regiões especializadas contenham receptores químicos que fazem com que as hidrolases ácidas se fixem a elas. Desse modo, essas enzimas são concentradas e, em seguida, liberadas do aparelho de Golgi sob forma de vesículas lisossômicas. Outro tipo de vesícula, formado por mecanismo análogo, é o doperoxissoma. Contudo, acredita-se que este tipo de vesícula seja formado no retículo endoplasmático liso, junto com a formação das vesículas de transporte, e não pelo aparelho de Golgi. Aqui, de novo, receptores especiais na membrana do retículo endoplasmático, provavelmente, atraem e fixam as enzimas oxidativas que vão ser liberadas, sob forma concentrada, nos peroxissomas. Utilização de vesículas intracelulares para recomposição das membranas celulares. Muitas das vesículas vão, finalmente, fundir-se com a membrana celular ou com as membranas de quaisquer outras estruturas intracelulares, como a mitocôndria ou o próprio retículo endoplasmático. Isso, obviamente, aumenta a extensão dessas membranas e as recompõe, à medida que vão sendo destruídas. Por exemplo, a membrana celular perde parte considerável de sua substância cada vez que forma vesícula fagocítica ou pinocítica, e são as vesículas do aparelho de Golgi que continuamente a recompõem. Assim, em resumo, o sistema de membranas do retículo endoplasmático c do aparelho de Golgi representa órgão intensamente metabólico, capaz de formar tanto novas estruturas celulares como as substâncias secretórias que vão ser extrudadas pela célula. EXTRAÇÃO DA ENERGIA DOS NUTRIENTES — A FUNÇÃO DAS MITOCÔNDRIAS As principais substâncias de onde a célula extrai energia são o oxigênio e um ou mais tipos de alimento — carboidrato, gordura e proteína. No corpo humano, em termos essenciais, os carboidratos são convertidos em glicose antes que atinjam as células, as proteínas são convertidas em aminoácidos, e as gorduras, em ácidos graxos. A Fig. 2.14 mostra o oxigênio e os nutrientes — glicose, aminoácidos e ácidos graxos — entrando todos na célula. Uma vez no interior, esses nutrientes reagem quimicamente com o oxigênio, sob ação de diversas enzimas — controladoras da velocidade dessas reações — e direcionam Fig. 2.14 Formação de trifosfato de adenosina (ATP) na célula, mostrando que a maior parte do ATP é formada nas mitocôndrias. a energia liberada na direção adequada. Quase todas essas reações oxidativas ocorrem dentro das mitocôndrias e a energia liberada é usada principalmente para formar ATP. Em seguida, o ATP, e não os nutrientes originais, é usado em toda a célula para energizar quase todas as reações metabólicas intracelulares. Características funcionais do ATP A fórmula do ATP é a seguinte: O ATP é um nucleotídio formado pela base nitrogenada adenina, a pentose ribose e por três radicais fosfato. Os dois últimos radicais fosfato são ligados ao resto da molécula por ligações chamadas de ligações fosfato de alta energia. Cada uma dessas ligações contém cerca de 12.000 calorias de energia por mole de ATP, nas condições físicas do corpo (nas condições- padrão, cerca de 7.300 cal, que é muito mais que a energia armazenada na ligação química média de outros compostos orgânicos, o que justifica a denominação "ligação de alta energia". Ainda mais, a ligação fosfato de alta energia é muito lábil, de modo que pode ser rompida instantaneamente por demanda, sempre que for necessária energia para a promoção de outras reações celulares. Quando o ATP libera sua energia, é liberado um radical de ácido fosfórico e formado difosfato de adenosina (ADP). Em
  18. 18. 18 seguida, a energia liberada dos nutrientes celulares faz com que o ADP e o ácido fosfórico se recombinem, para gerar novo ATP; esse processo se repete continuamente. Por essa razão, o ATP foi chamado de moeda energética da célula, pois pode ser gasto e refeito repetitivamente, em geral, com tempo de renovação de apenas uns poucos minutos no máximo. Processos químicos na formação do ATP — o papel das mitocôndrias. Ao entrar nas células, a glicose é submetida à ação de enzimas do citoplasma que a convertem em ácido pirúvico (é o processo chamado de glicólise). Pequena quantidade de ADP é convertida em ATP pela energia liberada por essa conversão, mas essa quantidade é responsável por menos de 5% do metabolismo energético global da célula. De longe, a maior parte do ATP formado na célula o é nas mitocôndrias. Os ácidos pirúvico e graxo, além da maior parte dos aminoácidos, são convertidos no composto acetil-CoA na matriz das mitocôndrias. Por sua vez, esse composto sofre a ação de outra série de enzimas da matriz mitocondrial, sendo decomposto em seqüência de reações químicas, chamadas, em conjunto, de ciclo do ácido cítrico ou ciclo de Krebs. Essas reações são explicadas em detalhe no Cap. 67. No ciclo do ácido cítrico, a acetil-CoA é degradada a seus componentes básicos, átomos de hidrogênio e dióxido de carbono. O dióxido de carbono, por sua vez, difunde-se para fora das mitocôndrias e, eventualmente para fora da célula. Mas, por outro lado, os átomos de hidrogênio são extremamente reativos e, por fim, vão combinar-se com o oxigênio que difundiu para as mitocôndrias. Essa reação libera quantidade muito grande de energia, que é usada pelas mitocôndrias na conversão de grande quantidade de ADP em ATP. Os processos dessas reações são muito complexos, exigindo a participação de grande número de enzimas protéicas que são parte integral das cristas membranosas que proeminam para a matriz mitocondrial. O evento inicial é a remoção de um elétron do átomo de hidrogênio, convertendo-o em íon hidrogênio. O evento final é o movimento desses íons através de grandes proteínas globulares, denominadas ATP sintetase, que fazem protrusão, como maçanetas, das membranas das cristas mitocondriais. A ATP sintetase é uma enzima que utiliza a energia do movimento do íon hidrogênio para promover a conversão de ADP em ATP, enquanto, ao mesmo tempo, os íons hidrogênio reagem com o oxigênio para formar água. Finalmente, o recém-formado ATP é transportado para fora das mitocôndrias, indo para todas as regiões do citoplasma e do nucleoplasma, onde é usado para energizar o funcionamento da célula. Esse processo global de formação do ATP é chamado de mecanismo quimiosmótico para a formação de ATP. Os detalhes químicos e físicos desse mecanismo são apresentados no Cap. 67, e muitas das funções metabólicas do ATP no corpo são apresentadas nos Caps. 67 a 71. Uso do ATP no funcionamento celular. O ATP é usado para promover três categorias principais do funcionamento celular; (1) transporte através de membranas, (2) síntese de compostos químicos em toda a célula, e (3) trabalho mecânico. Esses três tipos distintos de uso do ATP são mostrados nos exemplos da Fig. 2.15: (1) fornecimento de energia para o transporte de sódio através da membrana celular, (2) promoção da síntese de proteínas pelos ribossomas, e (3) fornecimento da energia necessária para a contração muscular. Além do transporte de sódio através de membranas, a energia do ATP é necessária, direta ou indiretamente, para o transporte dos íons potássio, cálcio, magnésio, fosfato, cloreto, urato, hidrogênio e muitos outros íons e diversas substâncias orgânicas. O transporte através de membranas é tão importante para o funcionamento celular que algumas células — como, por exemplo, as células tubulares renais — utilizam até 80% do ATP formado nelas exclusivamente para esse fim. Fig. 2.15 Uso de trifosfato de adenosina para prover energia para três processos principais do funcionamento celular: (1) transporte através de membrana, (2) síntese de proteínas, e (3) contração muscular. Além de sintetizar proteínas, as células também produzem fosfolipídios, colesterol, purinas, pirimidinas e grande número de outras substâncias. A síntese de quase todos os compostos químicos exige energia. Por exemplo, uma só molécula de proteína pode conter vários milhares de aminoácidos, ligados entre si por ligações peptídicas; a formação de cada uma dessas ligações exige a rotura de quatro ligações de alta energia; dessa forma, muitos milhares de moléculas de ATP (ou do composto comparável, trifosfato de guanosina [GTP]) devem liberar sua energia para cada molécula de proteína formada. Na verdade, algumas células chegam a utilizar até 75% do ATP formado nelas na síntese de compostos químicos; isso é especialmente válido durante a fase de crescimento celular. A última utilização principal do ATP é o fornecimento de energia para células especializadas, para produção de trabalho mecânico. Será visto no Cap. 6 que cada contração muscular exige o consumo de quantidades imensas de ATP. Outras células realizam trabalho mecânico de outra forma, em especial os movimentos ciliar e amebóide, descritos adiante neste capítulo. A fonte de energia para todos estes tipos de trabalho mecânico é o ATP. Portanto, para resumir, o ATP está sempre disponível para liberar sua energia, de forma rápida e quase explosiva, sempre que for necessário na célula. Para repor o ATP usado pela célula, numerosas reações químicas, distintas e mais lentas, degradam os carboidratos, gorduras e proteínas, e a energia nelas liberada é usada na formação de novo ATP. Cerca de 95% desse ATP é formado nas mitocôndrias, o que explica a designação das mitocôndrias como as "usinas" da célula. LOCOMOÇÃO AMEBÓIDE DAS CÉLULAS De longe, o tipo mais importante de movimento celular que ocorre no corpo é o das células musculares especializadas que formam os músculos esquelético, cardíaco e liso que, em conjunto, representam quase 50% de toda a massa corporal. O funcionamento especializado dessas células é descrito nos Caps. 6 a 9. Todavia, existem dois outros tipos de movimento, encontrados em outras células: a locomoção amebóide e o movimento ciliar. Locomoção amebóide significa o movimento de toda a célula em relação a seu substrato, como, por exemplo, o movimento dos glóbulos brancos através dos tecidos. Contudo, seu nome advém do fato de as amebas se deslocarem por esse mecanismo, representando excelente modelo para o estudo desse fenômeno.

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