Biologia universitária — 1.º ano · Bachelor Year 1

6Organização funcional da célula eucariótica

Uma célula do pâncreas fabrica, todo dia, cerca da própria massa em enzimas digestivas e as despeja num ducto. As enzimas são proteínas que digeririam a célula que as fez; por isso a célula as constrói dentro de uma lâmina fechada de membrana, as envia a um segundo compartimento onde são triadas e concentradas, as armazena em grânulos, e só as libera ao sinal de uma refeição. Cada etapa acontece num espaço diferente delimitado por membrana, e o tráfego entre os espaços é feito por vesículas. Este capítulo descreve os compartimentos da célula eucariótica, o sistema de endomembranas pelo qual as proteínas fluem, as organelas que transformam energia, o esqueleto que mantém a forma da célula e move as partes dela, e as características que distinguem uma célula vegetal de uma animal.

6.1 Compartimentos

Definição 6.1 (Organela, citosol)

Uma organela é uma estrutura dentro de uma célula com composição e função definidas; as organelas delimitadas por membrana são compartimentos cujo interior difere em composição do citosol, a solução aquosa do citoplasma fora delas. Compartimentos delimitados por membrana: o núcleo, o retículo endoplasmático, o complexo de Golgi, os lisossomos, os peroxissomos, as mitocôndrias e, nas plantas, os plastídios e o vacúolo. Organelas sem membrana: os ribossomos, o centrossomo e o citoesqueleto.

Uma célula animal genérica aberta. O núcleo no centro; em volta dele o retículo endoplasmático rugoso, contínuo com o envoltório nuclear, o retículo liso, a pilha de Golgi e as vesículas dela, mitocôndrias, lisossomos e o centrossomo do qual irradiam os microtúbulos.

Definição 6.2 (O núcleo)

O núcleo guarda os cromossomos na forma de cromatina, DNA enrolado em proteínas histonas (Capítulo 17). Ele é delimitado pelo envoltório nuclear, duas membranas, a externa contínua com o retículo endoplasmático, perfurado por poros nucleares pelos quais RNA e proteínas passam nos dois sentidos sob controle. O nucléolo é a região em que o RNA ribossômico é fabricado e os ribossomos são montados. O núcleo separa a transcrição (dentro) da tradução (fora), uma separação que os procariotos não têm.

Proposição 6.3 (Os compartimentos de uma célula do fígado)

Num hepatócito de $5000\,\text{µ}\mathrm{m}^{3}$ , o citosol ocupa cerca de metade do volume, as mitocôndrias um quinto, o retículo endoplasmático um sexto, o núcleo um dezesseis avos, e o Golgi, os lisossomos e os peroxissomos alguns por cento juntos. As membranas contam outra história: dos $110\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ de membrana da célula, metade é retículo endoplasmático, um terço é a membrana interna das mitocôndrias, e apenas $2\,\%$ é a membrana plasmática. Quase toda a membrana de uma célula está dentro dela.

Onde está a membrana de uma célula do fígado. A membrana plasmática, a única visível de fora, é dois por cento do total; o retículo e a membrana mitocondrial interna, dobrados por dentro, são quatro quintos.

6.2 O sistema de endomembranas

Definição 6.4 (Retículo endoplasmático, complexo de Golgi, lisossomo)

O retículo endoplasmático (RE) é uma rede de lâminas e túbulos de membrana que encerra um único espaço contínuo, o lúmen, e é contínua com o envoltório nuclear. A parte rugosa dele é cravejada de ribossomos que injetam no lúmen ou na membrana as proteínas que fabricam; a parte lisa fabrica lipídios, armazena cálcio e faz desintoxicação. O complexo de Golgi é uma pilha de sacos achatados (as cisternas), com uma face cis de recepção junto ao RE e uma face trans de expedição, em que as proteínas vindas do RE são modificadas (açúcares aparados e acrescentados), triadas e empacotadas em vesículas rumo aos destinos delas. Os lisossomos são vesículas ácidas (pH $\approx 5$ ) cheias de enzimas hidrolíticas que digerem material trazido de fora ou organelas gastas. Junto com as vesículas que se deslocam entre eles e a membrana plasmática, essas estruturas formam o sistema de endomembranas: um conjunto conectado de compartimentos cujos lumens são, do ponto de vista topológico, o exterior da célula.

Proposição 6.5 (A via secretora)

Uma proteína destinada à secreção, à membrana plasmática ou a um lisossomo é sintetizada por ribossomos ligados ao RE rugoso, entra no lúmen do RE à medida que é feita, dobra-se ali, viaja em vesículas até a face cis do Golgi, atravessa a pilha enquanto é modificada, e deixa a face trans numa vesícula endereçada ao destino dela: um grânulo de secreção que se funde com a membrana plasmática mediante um sinal (exocitose regulada), uma vesícula que se funde continuamente (exocitose constitutiva, que também entrega membrana nova) ou um lisossomo. As proteínas citosólicas e nucleares são feitas em ribossomos livres e nunca entram no sistema. O que decide é uma sequência-sinal no início da proteína (Capítulo 19).

Evidências. Palade (anos 1960) forneceu a fatias de pâncreas de cobaia aminoácidos radioativos por três minutos (o pulso), depois aminoácidos não marcados (a caça), e localizou a radioatividade por autorradiografia de micrografias eletrônicas em intervalos sucessivos. Aos $3\,\mathrm{min}$ os grãos de prata estavam sobre o RE rugoso; aos $20\,\mathrm{min}$ sobre o Golgi; aos $40\,\mathrm{min}$ sobre vacúolos de condensação e grânulos novos; às $2\,\mathrm{h}$ no lúmen do ducto. O fracionamento celular deu quimicamente a mesma sequência. Blobel (anos 1970) mostrou que as proteínas de secreção feitas em tubo de ensaio sem membranas são vinte resíduos mais longas que a forma secretada e não são protegidas de uma protease acrescentada, ao passo que, feitas na presença de membranas de RE, elas são clivadas e protegidas: os resíduos extras são o sinal que dirige a cadeia em crescimento para dentro do RE. ∎

O pulso e caça de Palade no pâncreas: onde estão as proteínas marcadas, em função do tempo. Elas passam do RE ao Golgi em um quarto de hora, chegam aos grânulos dentro da hora, e deixam a célula ao longo das duas seguintes.

Uma célula acinar pancreática ao microscópio eletrônico de transmissão: RE rugoso empilhado em lâminas paralelas em volta do núcleo na base, o Golgi acima dele, e os grânulos de secreção densos aglomerados em direção ao ápice e ao ducto.

Método 6.6 (Acompanhar uma molécula pela célula)

Marque uma coorte curta: exponha as células a um precursor radioativo ou fluorescente por alguns minutos (o pulso), e substitua-o depois por um excesso de precursor não marcado (a caça), de modo que só as moléculas feitas durante o pulso levem a marcação.
Colha amostras em intervalos, fixe e localize a marcação: por autorradiografia de cortes, por microscopia de fluorescência ou por fracionamento e contagem.
O compartimento cuja marcação atinge o máximo primeiro está a montante; a sequência dos máximos é a rota; os intervalos são os tempos de trânsito.
Bloqueie uma etapa (frio, um inibidor de energia, um mutante) e veja onde a marcação se acumula: no compartimento anterior ao bloqueio.

Definição 6.7 (Endocitose)

A endocitose traz material para dentro: a membrana plasmática se invagina em torno dele e se estrangula numa vesícula, que em geral se funde com um lisossomo. A fagocitose engloba partículas (uma bactéria, uma célula morta); a pinocitose capta gotículas de líquido; a endocitose mediada por receptor concentra uma molécula específica (partículas que carregam colesterol, a transferrina que carrega ferro) em receptores de fossetas revestidas antes de captá-la. A exocitose acrescenta membrana à superfície da célula e a endocitose a retira; numa célula em secreção as duas se equilibram, de modo que a superfície permanece constante enquanto áreas inteiras de membrana passam por ela a cada hora.

6.3 Mitocôndrias e plastídios

Definição 6.8 (Mitocôndria)

Uma mitocôndria é uma organela de $0.5\text{ to }1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de largura e alguns micrômetros de comprimento, delimitada por duas membranas: uma membrana externa lisa, permeável a moléculas pequenas, e uma membrana interna dobrada em cristas, impermeável a íons, que carrega a cadeia respiratória e a ATP-sintase (Capítulo 15). Dentro está a matriz, que abriga as enzimas do ciclo de Krebs, ribossomos do tipo bacteriano e várias cópias de um pequeno DNA circular. As mitocôndrias se dividem por fissão, deslocam-se ao longo do citoesqueleto, e são de algumas centenas a alguns milhares por célula.

Definição 6.9 (Plastídios)

Os plastídios são as organelas de membrana dupla das células vegetais: os cloroplastos, em que um terceiro sistema de membranas, os tilacoides, empilhados em grana e banhados no estroma, realizam a fotossíntese (Capítulo 14); os amiloplastos, que armazenam amido; os cromoplastos, que guardam os pigmentos dos frutos e das pétalas. Todos derivam de proplastídios e, como as mitocôndrias, contêm DNA circular próprio e ribossomos do tipo bacteriano, e se dividem por fissão.

Uma mitocôndria (à esquerda) e um cloroplasto (à direita) em corte ao microscópio eletrônico. Duas membranas de envoltório em cada um; dentro, a membrana interna dobrada da mitocôndria e os tilacoides empilhados do cloroplasto — as membranas sobre as quais a energia é transduzida.

Proposição 6.10 (Origem endossimbiótica)

As mitocôndrias e os plastídios descendem de bactérias de vida livre englobadas por uma célula eucariótica ancestral e mantidas como simbiontes: as mitocôndrias, de uma bactéria aeróbia; os plastídios, de uma cianobactéria.

Evidências. As duas organelas têm duas membranas, a interna de composição bacteriana e a externa parecida com a do hospedeiro; um cromossomo circular sem histonas; ribossomos do tamanho e da sensibilidade a antibióticos dos bacterianos; um código genético com variantes bacterianas; divisão por fissão binária independente da célula; e os genes delas, quando sequenciados, agrupam-se com os de linhagens bacterianas específicas (alfaproteobactérias, cianobactérias), e não com os genes nucleares da célula que as abriga. A maior parte dos genes originais delas migrou desde então para o núcleo, e as organelas já não conseguem viver sozinhas. ∎

Definição 6.11 (Peroxissomo)

Um peroxissomo é uma organela pequena, de membrana única, que contém enzimas oxidativas que transferem hidrogênio de substratos (ácidos graxos, álcool) para o oxigênio, produzindo peróxido de hidrogênio, e catalase, que destrói o peróxido no mesmo lugar. Ele confina uma química perigosa.

6.4 O citoesqueleto

Definição 6.12 (Citoesqueleto)

O citoesqueleto é uma rede de filamentos proteicos que dá à célula a forma dela, ancora as organelas dela, e move tanto elas quanto a própria célula. São três tipos: os microfilamentos de actina ( $7\,\mathrm{nm}$ , duas fitas torcidas de subunidades globulares), concentrados sob a membrana plasmática, responsáveis pela forma da célula, pelo rastejamento, pelo anel contrátil da divisão e pela contração muscular junto com a miosina; os microtúbulos (tubos ocos de $25\,\mathrm{nm}$ de tubulina), que irradiam do centrossomo e são os trilhos ao longo dos quais as proteínas motoras (a cinesina para fora, a dineína para dentro) carregam vesículas e organelas, além de formarem o fuso da divisão e o eixo dos cílios e dos flagelos; e os filamentos intermediários ( $10\,\mathrm{nm}$ , semelhantes a cordas, de queratinas e proteínas aparentadas), as fibras mecanicamente resistentes que enrijecem as células e se ancoram nos desmossomos. Microfilamentos e microtúbulos se montam e se desmontam continuamente a partir dos estoques de subunidades deles.

Os três filamentos do citoesqueleto, desenhados na mesma escala. A actina e a tubulina polimerizam de forma reversível a partir de subunidades globulares; os filamentos intermediários são cordas estáveis.

Exemplo 6.13 (Mover uma vesícula)

Uma vesícula de secreção que deixa o Golgi é recolhida pela cinesina, um motor que caminha ao longo de um microtúbulo em direção à periferia da célula a cerca de $1\,\text{µ}\mathrm{m}/\mathrm{s}$ , gastando um ATP por passo de $8\,\mathrm{nm}$ ; num neurônio o mesmo motor carrega vesículas ao longo de um axônio de um metro — uma viagem de dez dias. Perto da superfície, a vesícula passa ao córtex de actina e à miosina para o último micrômetro. A difusão levaria uma vesícula de $100\,\mathrm{nm}$ cerca de um minuto para atravessar uma célula de $20\,\text{µ}\mathrm{m}$ , e anos para percorrer um metro: as organelas são carregadas, e não deixadas à deriva.

6.5 Células vegetais e animais

Definição 6.14 (Parede celular, vacúolo, plasmodesmos)

Uma célula vegetal acrescenta três estruturas ao plano comum. A parede celular, por fora da membrana plasmática, é um compósito de microfibrilas de celulose numa matriz de outros polissacarídeos (Capítulo 10); ela fixa a forma da célula, resiste à pressão interna e cimenta as células vizinhas por meio de uma lamela média compartilhada. O vacúolo, um compartimento de membrana única que ocupa até $90\,\%$ do volume da célula, armazena água, íons, açúcares, pigmentos e resíduos; a pressão osmótica dele empurra a membrana contra a parede, e é esse turgor que mantém uma folha erguida. Os plasmodesmos são canais que atravessam as paredes, revestidos por membrana plasmática, pelos quais os citosóis de células vizinhas ficam contínuos, de modo que um tecido vegetal é em parte um único citoplasma conectado (o simplasto).

Uma célula vegetal: a parede por fora da membrana, o vacúolo ocupando quase todo o volume, cloroplastos e mitocôndrias na camada fina de citoplasma entre eles.

Proposição 6.15 (Células vegetal e animal comparadas)

As duas têm núcleo, RE, Golgi, mitocôndrias, peroxissomos, ribossomos e citoesqueleto. A célula vegetal tem parede de celulose, um vacúolo grande, plastídios e plasmodesmos, e não tem centríolos nem lisossomos (o vacúolo digere); ela não rasteja nem engloba, e se divide construindo uma parede nova no meio. A célula animal não tem parede (e por isso pode mudar de forma, rastejar e fagocitar), tem lisossomos e um centrossomo com centríolos, e se comunica por junções em vez de plasmodesmos; ela se divide estrangulando-se em duas.

Exemplo 6.16 (Turgor)

Uma célula de folha cujo vacúolo contém $0.3\,\mathrm{mol}/\mathrm{L}$ de solutos puxa água para dentro até que a parede reaja com uma pressão de cerca de $0.7\,\mathrm{MPa}$ , sete atmosferas; a célula fica então túrgida e a folha, firme. Privada de água, o vacúolo perde volume, a pressão cai a zero e a folha murcha — a parede inalterada, a pressão desaparecida (Capítulo 7). Uma célula animal na mesma solução, por não ter parede, simplesmente estouraria.

6.6 Exercícios

Exercício 6.1 ★

Liste as organelas delimitadas por membrana de uma célula animal e dê em poucas palavras a função principal de cada uma.

Solução

Solução de Exercício 6.1.

Núcleo (cromossomos, transcrição); RE rugoso (proteínas de secreção e de membrana); RE liso (lipídios, cálcio, desintoxicação); Golgi (triagem, modificação, empacotamento); lisossomos (digestão); peroxissomos (oxidações, catalase); mitocôndrias (respiração, ATP).

Exercício 6.2 ★

Trace o caminho de uma enzima digestiva desde a síntese até o ducto, nomeando cada compartimento e como a proteína passa de um ao outro.

Solução

Solução de Exercício 6.2.

Sintetizada por ribossomos ligados ao RE rugoso e introduzida no lúmen dele (sequência-sinal); vesículas brotam do RE e se fundem com o Golgi cis; a proteína atravessa a pilha, é modificada e triada; ela deixa a face trans num vacúolo de condensação que amadurece em grânulo de secreção; o grânulo se funde com a membrana apical mediante um sinal e se esvazia no ducto.

Exercício 6.3 ★

A partir da figura do balanço de membranas, que fração da membrana da célula é mitocondrial (externa mais interna)? Por que a membrana interna é tão maior que a externa?

Solução

Solução de Exercício 6.3.

$7 + 32 = 39\,\%$ . A membrana interna é dobrada em cristas porque carrega a cadeia respiratória e a ATP-sintase, cuja capacidade é proporcional à área dela; a externa é um simples envoltório.

Exercício 6.4 ★

Dê três estruturas que uma célula vegetal tem e uma célula animal não, e duas que a célula animal tem e a vegetal não.

Solução

Solução de Exercício 6.4.

Vegetal: parede de celulose, vacúolo grande, plastídios (e também plasmodesmos). Animal: lisossomos, centríolos (e a capacidade de rastejar e de fagocitar).

Exercício 6.5 ★★

A partir da figura do pulso e caça, em que instante a marcação atinge o máximo no RE, no Golgi e nos grânulos? Estime o tempo de trânsito do RE até o grânulo e o tempo até metade da marcação ter sido secretada.

Solução

Solução de Exercício 6.5.

RE aos $3\,\mathrm{min}$ (já em queda), Golgi por volta dos $15\,\mathrm{min}$ , grânulos por volta dos $60\,\mathrm{min}$ . Trânsito do RE ao grânulo, cerca de $45\,\mathrm{min}$ ; metade secretada por volta dos $110\,\mathrm{min}$ .

Exercício 6.6 ★★

Uma célula é tratada com um fármaco que despolimeriza os microtúbulos. Preveja os efeitos sobre a posição do Golgi, sobre o tráfego de vesículas, sobre a divisão celular e sobre o batimento dos cílios.

Solução

Solução de Exercício 6.6.

O Golgi, mantido perto do centrossomo pela dineína sobre microtúbulos, fragmenta-se e se dispersa; o tráfego de vesículas cai ao ritmo da difusão e o transporte para a periferia para; o fuso não consegue se formar e as células param na mitose; os cílios, cujo eixo é de microtúbulos, param (os cílios existentes são estáveis, mas não são renovados).

Exercício 6.7 ★★

Dê quatro evidências da origem bacteriana das mitocôndrias e explique por que, apesar disso, uma mitocôndria não consegue viver fora de uma célula.

Solução

Solução de Exercício 6.7.

Duas membranas, com a interna de tipo bacteriano; DNA circular sem histonas; ribossomos do tamanho bacteriano e sensíveis a antibióticos; divisão por fissão; sequências gênicas que se agrupam com as das alfaproteobactérias. Ela não consegue viver sozinha porque a maior parte dos genes dela migrou para o núcleo: ela importa quase todas as próprias proteínas do citosol.

Exercício 6.8 ★★

O lúmen do RE está “topologicamente fora da célula”. Explique a frase acompanhando uma proteína de membrana cujas cadeias de açúcar ficam voltadas para o lúmen, do RE até a membrana plasmática: para que lado os açúcares ficam voltados no fim?

Solução

Solução de Exercício 6.8.

Os açúcares são acrescentados no lado luminal, no RE e no Golgi. Cada fusão de vesícula preserva a lateralidade: a face luminal de uma vesícula se torna a face luminal do compartimento seguinte, e quando a vesícula se funde com a membrana plasmática o lúmen dela se abre para o exterior, de modo que os açúcares ficam voltados para fora. O que é luminal é, topologicamente, exterior.

Exercício 6.9 ★★

Uma célula secretora libera $2000\,$ grânulos de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro por dia por uma superfície apical de $40\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . Calcule a membrana acrescentada por dia e quantas vezes a superfície apical precisa ser reciclada. O que isso implica?

Solução

Solução de Exercício 6.9.

Cada grânulo $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; por dia, $6280\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , ou seja, $157\,$ vezes a face apical. A célula precisa recuperar membrana por endocitose à mesma taxa, de modo que a membrana apical se renova a cada nove minutos e a membrana recuperada é devolvida ao Golgi para ser reutilizada.

Exercício 6.10 ★★★

Num tubo de ensaio com ribossomos, mRNA de uma proteína de secreção e aminoácidos, o produto é uma cadeia de $320\,$ resíduos; com vesículas de RE acrescentadas, aparece uma cadeia de $300\,$ resíduos dentro das vesículas, que não é digerida por uma protease acrescentada em seguida. Interprete cada observação e diga o que faria um mutante sem os primeiros vinte resíduos.

Solução

Solução de Exercício 6.10.

A cadeia de $320\,$ resíduos é o precursor com a sequência-sinal de $20\,$ resíduos, que normalmente é clivada na entrada do RE. Com as vesículas, a cadeia entra no lúmen durante a síntese, o sinal é clivado, e a membrana protege o produto da protease. O mutante sem o sinal não é reconhecido pela maquinaria do RE: ele é feito em ribossomos livres e fica no citosol, com o comprimento inteiro, nunca secretado.

Exercício 6.11 ★★★

As células de um paciente não têm uma enzima lisossômica que degrada um lipídio; o lipídio se acumula em lisossomos inchados e as células morrem. Explique a biologia celular, diga por que a doença é pior nas células que renovam as membranas mais rápido, e proponha como uma enzima injetada no sangue poderia chegar aos lisossomos.

Solução

Solução de Exercício 6.11.

As membranas internalizadas por endocitose e as organelas gastas são entregues aos lisossomos para digestão; sem a enzima, o lipídio que elas contêm não pode ser degradado e enche os lisossomos, que incham até a célula falhar. As células com a renovação de membrana mais rápida (neurônios, que reciclam vesículas sinápticas continuamente; macrófagos) o acumulam mais depressa. Uma enzima injetada que carregue o sinal de açúcar que as enzimas lisossômicas trazem pode se ligar a receptores da superfície da célula e ser captada por endocitose mediada por receptor até os lisossomos — o princípio da terapia de reposição enzimática.

Exercício 6.12 ★★★

“A célula eucariótica é uma federação de antigas bactérias mantidas juntas por um sistema de membranas.” Discuta em um parágrafo, pesando o que a teoria endossimbiótica explica contra o que ela não explica (núcleo, RE, citoesqueleto).

Solução

Solução de Exercício 6.12.

A endossimbiose dá boa conta das mitocôndrias e dos plastídios (duas membranas, genoma e ribossomos próprios, fissão, parentes bacterianos) e, portanto, do metabolismo energético do eucarioto. Ela não explica o núcleo, o RE e o Golgi, nem o citoesqueleto, que não têm equivalentes bacterianos e parecem invenções da linhagem hospedeira — invaginações da membrana dela e proteínas novas. “Federação” é adequado para as organelas; “mantidas juntas por um sistema de membranas” aponta para a parte maior e não explicada: uma célula hospedeira que já era eucariótica na arquitetura dela antes de acolher as bactérias.

6.7 Problema: A célula acinar do pâncreas

Problema 6.1

Problema de fim de semana — uma célula que secreta a própria massa em proteína todo dia: o relógio de Palade, a membrana que ela precisa reciclar, o sinal que endereça a proteína, terminando no tempo de trânsito de uma enzima digestiva

Uma célula acinar pancreática é um cubo de $12\,\text{µ}\mathrm{m}$ de aresta, com a face apical ( $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ , voltada para o ducto) e a face basal voltada para o sangue. Um pâncreas humano de $80\,\mathrm{g}$ contém cerca de $8 \times 10^{10}$ células desse tipo e secreta $10\,\mathrm{g}$ de proteína enzimática por dia. Um grânulo de secreção é uma esfera de $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro que contém proteína a $200\,\mathrm{mg}/\mathrm{mL}$ . Os ribossomos acrescentam $5\,$ aminoácidos por segundo; uma enzima típica tem $250\,$ resíduos de massa média $110\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ .

Parte I — O relógio de Palade. A figura do pulso e caça do capítulo dá a localização da marcação ao longo do tempo.

Por que o pulso precisa ser curto e a caça precisa conter um grande excesso de aminoácido não marcado?
Leia na figura o instante em que a marcação atinge o máximo no RE, no Golgi e nos grânulos.
Estime o tempo de trânsito do RE ao Golgi e do Golgi ao grânulo.
Onde está a marcação aos $60\,\mathrm{min}$ , e por que parte dela já deixou a célula enquanto a maior parte ainda está nos grânulos?
Um segundo experimento é feito a $15\,{}^{\circ}\mathrm{C}$ : a marcação fica no RE por mais de uma hora. Interprete.

Parte II — A massa de proteína.

Calcule a proteína secretada por célula e por dia, em picogramas.
Calcule o volume de um grânulo e a massa de proteína que ele contém.
Calcule o número de grânulos liberados por célula e por dia, e por minuto.
Calcule o volume da célula e, com uma densidade de $1.05\,\mathrm{g}/\mathrm{cm}^{3}$ , a massa dela. Que fração da própria massa ela secreta a cada dia?
Calcule o número de moléculas de enzima em um grânulo (número de Avogadro $6.0 \times 10^{23}$ ).
Calcule o tempo de que um ribossomo precisa para fabricar uma molécula de enzima.
Quantos ribossomos precisam trabalhar continuamente para produzir o total diário? Compare com os $4 \times 10^{6}$ ribossomos que uma célula dessas contém.

Parte III — Membrana.

Calcule a área de membrana de um grânulo.
Calcule a membrana entregue por dia à face apical pela exocitose dos grânulos da questão 8.
Quantas vezes por dia a área da face apical é acrescentada? O que a célula precisa fazer com ela, e por qual processo?
A membrana dos grânulos vem do Golgi, que a recebe do RE. Se o RE da célula tem $20\,000\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ de membrana, a quantos dias de membrana de grânulo isso corresponde? O que isso diz sobre a reciclagem dentro do sistema de endomembranas?
A face apical carrega $2000\,$ microvilosidades de $0.1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de diâmetro e $1\,\text{µ}\mathrm{m}$ de comprimento. Por qual fator elas ampliam a face de $144\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ?

Parte IV — O endereço na proteína.

O mRNA de uma enzima traduzido em tubo de ensaio sem membranas dá uma cadeia $20\,$ resíduos mais longa que a enzima encontrada nos grânulos. Onde estão os resíduos extras e o que eles são?
Na presença de vesículas de RE, o produto tem o comprimento certo, está dentro das vesículas e é protegido de uma protease. Interprete.
O mesmo experimento com o mRNA de uma enzima citosólica dá um produto fora das vesículas e desprotegido. Conclua.
Uma mutação apaga os vinte resíduos. Preveja onde a enzima vai parar e o que acontece com a célula.
Outra enzima é encontrada nos lisossomos, e não nos grânulos. Ela carrega o mesmo tipo de sequência-sinal. Em que ponto da via a segunda decisão precisa ser tomada, e por qual mecanismo, em linhas gerais?
Uma célula é tratada com um fármaco que bloqueia a síntese de ATP. Preveja onde a marcação de um pulso e caça se acumula e por quê (duas razões).
Combine as questões 3 e 8: em regime estacionário, quantos grânulos estão “em trânsito” entre o RE e o grânulo a cada instante?
Resuma o resultado: o tempo de trânsito da síntese ao grânulo, o tempo até a secreção, os grânulos liberados por minuto, e a fração da própria massa que a célula secreta por dia.

Solução

Solução de Problema 6.1.

1. Um pulso curto marca uma coorte estreita de moléculas, de modo que a posição delas assinala um único instante; o excesso de aminoácido não marcado interrompe a incorporação posterior, para que a coorte não seja borrada por síntese tardia. 2. RE: $3\,\mathrm{min}$ (o ponto mais precoce); Golgi e vacúolos de condensação: por volta dos $15\,\mathrm{min}$ ; grânulos: por volta dos $60\,\mathrm{min}$ . 3. Do RE ao Golgi, cerca de $10\,\mathrm{min}$ ; do Golgi ao grânulo, cerca de $45\,\mathrm{min}$ . 4. Quase toda nos grânulos ( $70\,\%$ ), um décimo no Golgi, um décimo já secretado: a via constitutiva e os primeiros grânulos formados liberam parte dela, enquanto a maioria espera um estímulo. 5. O brotamento e o transporte de vesículas exigem energia e membranas fluidas; no frio a etapa RE-Golgi para e a proteína se acumula a montante do bloqueio. 6. $10\,\mathrm{g}/8 \times 10^{10} = 1.25 \times 10^{-10}\,\mathrm{g} = 125\,\mathrm{pg}$ por célula e por dia. 7. $V = \frac{\pi}{6}(1)^3 = 0.52\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 5.2 \times 10^{-13}\,\mathrm{mL}$ ; proteína $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g} = 0.1\,\mathrm{pg}$ . 8. $125/0.1 = 1250$ grânulos por dia, $0.87$ por minuto. 9. $V = 12^3 = 1728\,\text{µ}\mathrm{m}^{3} = 1.73 \times 10^{-9}\,\mathrm{cm}^{3}$ ; massa $1.8 \times 10^{-9}\,\mathrm{g}$ = $1800\,\mathrm{pg}$ . Ela secreta $125/1800 = 7\%$ da massa dela por dia (a célula inteira é só $20\,\%$ de proteína, de modo que isso é um terço do conteúdo proteico dela). 10. Massa molar $250\times 110 = 27\,500\,\mathrm{g}/\mathrm{mol}$ ; $1.05 \times 10^{-13}\,\mathrm{g}/27500\times6 \times 10^{23} = 2.3 \times 10^{6}$ moléculas. 11. $250/5 = 50\,\mathrm{s}$ . 12. Moléculas por dia $1250\times2.3 \times 10^{6} = 2.9 \times 10^{9}$ ; um ribossomo faz $86\,400/50 = 1728$ por dia; são necessários $1.7 \times 10^{6}$ ribossomos, cerca de $40\,\%$ dos da célula. 13. $\pi d^2 = 3.14\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 14. $1250\times 3.14 = 3900\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ . 15. $3900/144 = 27$ vezes: a célula recupera a mesma área por endocitose e a devolve ao Golgi. 16. $20\,000/3900 = 5$ dias: o RE só poderia fornecer cinco dias de membrana de grânulo se nada voltasse; a membrana precisa reciclar continuamente. 17. Cada microvilosidade $\pi\times 0.1\times 1 = 0.31\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ ; $630\,\text{µ}\mathrm{m}^{2}$ para 2000; fator $5.4$ . 18. No início da cadeia: a sequência-sinal, vinte resíduos em sua maioria hidrofóbicos. 19. O sinal dirigiu a cadeia em crescimento para dentro das vesículas, onde uma peptidase de sinal o removeu; a membrana protege a proteína da protease. 20. Só as proteínas com sinal entram no RE; uma proteína citosólica não o tem e fica fora. 21. A enzima é feita em ribossomos livres e fica no citosol; sendo uma enzima digestiva (como precursor inativo ela faz pouco mal, mas se for ativada) ela digeriria a célula por dentro. 22. No Golgi trans: a enzima lisossômica carrega uma marca distintiva (um açúcar fosforilado) reconhecida por um receptor que a empacota em vesículas destinadas aos lisossomos, e não em grânulos de secreção. 23. No RE (e no Golgi): a formação de vesículas, o transporte por motores sobre microtúbulos e a fusão de membranas consomem ATP; e a própria síntese proteica para, de modo que nem o pulso se completa. 24. $45\,\mathrm{min}$ de trânsito a $0.87$ grânulos por minuto: cerca de $40\,$ grânulos em proteína em trânsito. 25. Trânsito da síntese ao grânulo, cerca de $45\,\mathrm{min}$ ( $55\,\mathrm{min}$ contando o RE); secreção depois de cerca de duas horas no experimento (quatro horas ou mais na glândula viva, já que os grânulos esperam uma refeição); $0.9\,$ grânulo liberado por minuto; $7\,\%$ da massa da célula por dia.

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