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Sinalização celular: como a glicose é absorvida pelas células? - Biologia

Sinalização celular: como a glicose é absorvida pelas células? - Biologia



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Quando comemos alimentos açucarados e carboidratos, esses dissacarídeos e polissacarídeos são divididos em glicose. Quando a glicose no sangue se liga ao receptor de glicose, um cascata de sinal é iniciado dentro do pâncreas, resultando na liberação de insulina na corrente sanguínea. O hormônio então circula no sangue e eventualmente se liga aos receptores de insulina em outras células.

Este receptor de glicoproteína está embutido na membrana celular e possui um domínio receptor extracelular, composto por dois α-subunidades, e um domínio catalítico intracelular, composto por dois subunidades β. As subunidades α atuam como receptores de insulina e a molécula de insulina atua como um ligando. Uma vez que a insulina se liga ao receptor, fosforilação ocorre e inicia o processo de transdução de sinal na célula.

Dentro da célula, as vesículas armazenam uma proteína transmembrana chamada GLUT-4. No final da cascata de sinal, ele é incorporado à membrana plasmática da célula. O transportador GLUT-4 então fornece um canal para a glicose entrar na célula, onde pode ser usada na glicólise e na respiração celular. Qualquer resíduo de glicose é empacotado em glicogênio e armazenado no fígado ou é convertido em ácidos graxos e armazenado como gordura nos tecidos.

Para cada uma das seguintes condições, indique se níveis de glicose no sangue vai euNCREASE ou DECREASE.

___ 1. Nenhuma insulina foi produzida pelo pâncreas.

___ 2. A proteína Glut-4 não atinge a membrana celular.

___ 3. A insulina está sendo superproduzida pelo pâncreas.

___ 4. Uma molécula antagonista se liga às subunidades α e bloqueia a ligação pela insulina.

___ 5. As mitocôndrias não produzem ATP suficiente.

___ 6. As proteínas da hélice alfa e da folha beta foram desnaturadas.

___ 7. A proteína de transporte Glut-4 foi desnaturada.

___ 8. O número de proteínas de transporte Glut-4 aumentou.

Diabetes tipo 1 ocorre quando o sistema imunológico do corpo ataca as células beta do pâncreas. Estas são as células responsáveis ​​pela produção de insulina. Pessoas com diabetes tipo 1 tomam injeções de insulina como tratamento para essa doença. Sem essas injeções, as células não podem trazer glicose. A glicose continua a se acumular na corrente sanguínea porque não está sendo absorvida. Alguns dos primeiros sintomas do diabetes são o aumento da sede e da micção, à medida que os rins tentam limpar o excesso de açúcar do corpo. O açúcar na urina é um sintoma clássico da doença, e os médicos historicamente provariam a urina como uma ferramenta de diagnóstico. Infelizmente, até a descoberta da insulina em 1921, não havia como tratar crianças com diabetes, e elas geralmente morriam.

Diabetes tipo 2 ocorre quando os receptores celulares se tornam resistentes à insulina. O sinal do celular não está chegando à célula-alvo. Em resposta, o pâncreas produz mais insulina, mas, em alguns casos, ainda não é suficiente para absorver a glicose do sangue. A obesidade está ligada à resistência à insulina, e muitos pacientes com diabetes tipo 2 podem ser tratados com mudanças na dieta e com insulina adicional. Existem também fatores genéticos envolvidos no desenvolvimento de diabetes tipo 2.

Em ambos os tipos de diabetes, níveis elevados de glicose no sangue podem levar a complicações de longo prazo, como a neuropatia diabética. Essa condição ocorre quando as células nervosas são danificadas, o que pode resultar em dormência nas extremidades, cicatrização lenta de feridas e até cegueira.

11. Com base em seus conhecimentos de biologia. Qual é o efeito imediato para uma célula que não consegue obter glicose? Use termos específicos que você aprendeu ao construir sua resposta.

12. Por que aumentar a quantidade de insulina melhora a captação de glicose para alguém com diabetes tipo 2?

13. Conecte o sistema endócrino ao sistema nervoso explicando a relação entre a glicose e a neuropatia.


Sinalização celular: como a glicose é absorvida pelas células? - Biologia

C2006 / F2402 '11 ESBOÇO DA AULA # 16

(c) 2011 Dra. Deborah Mowshowitz, Columbia University, Nova York, NY. Última atualização em 24/03/2011 14h14.

Folhetos: 15A - Revestimento do Trato GI e Circuito Típico
15B - Homeostase - Vista gangorra para regulação de glicose e temperatura
16 - Estado absorvente vs pós-absorvente

I. Homeostase, cont. Veja os folhetos 15A e amp B & amp notas da última vez, tópico VI.

A. Regulação dos níveis de glicose no sangue - gangorra, visão # 1 (folheto 15B)

B. Regulação da Temperatura do Corpo Humano - Gangorra # 2 (Apostila 15B)

C. A Visão do Circuito (Folheto 15A)

II. Circuitos de correspondência e sinalização - um exemplo: Como funciona o circuito de glicose em nível molecular / de sinalização

Reconsidere o diagrama do circuito ou gangorra para o controle homeostático dos níveis de glicose no sangue - o que acontece nas caixas do 15A? Pode ser útil consultar a tabela abaixo.

A. Como Efetores Assumir Glicose?

1. Principais Efetivos: Fígado, músculo esquelético, tecido adiposo

2. Geral: Em resposta à insulina, os efetores aumentam a captação e a utilização do amplificador de glicose. A insulina ativa um ou mais dos seguintes nos efetores:

uma. Provoca aumento direto da captação de glicose pelos transportadores de membrana

b. Aumenta a degradação da glicose para fornecer energia

c. Aumenta a conversão de glicose em 'lojas'

(1). A glicose é convertida em formas de armazenamento (gordura, glicogênio), E

(2) A quebra das moléculas de combustível de armazenamento (lojas) é inibida.

d. Provoca aumento indireto da captação de glicose, aumentando a fosforilação da glicose em G-P, prendendo-a dentro das células

3. Como funciona a insulina?

uma. Receptor:

(1). A insulina atua por meio de um tipo especial de receptor de superfície celular, um receptor ligado à tirosina quinase Ver Sadava fig. 7,7 (15,6). A insulina tem muitos efeitos sobre as células e o mecanismo de transdução de sinal é complexo (ativando várias vias).

(2) De muitas maneiras, a insulina atua mais como um fator de crescimento típico do que como um fator endócrino típico. (A insulina tem efeitos semelhantes aos de GF em outras células e é da mesma família que os ILGFs = fatores de crescimento semelhantes à insulina). Mais sobre GFs e receptores TK mais tarde.

b. Como a insulina aumenta a captação de glicose em diferentes efetores?

(1). No músculo esquelético e tecido adiposo em repouso - mobiliza GLUT 4:Nestes tecidos a insulina mobiliza o transportador para difusão facilitada (da glicose) - a proteína GLUT 4 - promove a fusão das vesículas contendo os transportadores com a membrana plasmática. Nenhum outro hormônio pode causar esse efeito.

(2) No fígado:O fígado (e o cérebro) pode absorver a glicose sem insulina - eles não usam o GLUT 4. Eles usam diferentes transportadores (GLUT 1, 2 e amp / ou 3) localizados permanentemente na membrana plasmática.

(uma). No fígado: a insulina promove a captação de glicose no fígado, mas não diretamente. A insulina promove a absorção aumentando a fosforilação (aprisionamento) e a utilização da glicose.

(b). Nota: a insulina tem sem efeito na captação de glicose no cérebro.

(3). Músculo esquelético ativo:A insulina não é necessária para a captação de glicose em trabalhando músculo esquelético porque o exercício mobiliza GLUT4 no músculo esquelético. (Outro bom motivo para fazer exercícios.)

c. Outros efeitos: Em muitos tecidos, a insulina promove a utilização de glicose:

(1). Ativa enzimas apropriadas para a síntese de formas de armazenamento de metabólitos - síntese de glicogênio, gordura e / ou proteína.

(2) Inibe enzimas para decomposição de estoques.

(3). Pode promover a utilização (decomposição) da glicose para obter energia.

d. Significado: Alguns efeitos da insulina são mimetizados por outros hormônios, mas a mobilização de GLUT4 não pode ser desencadeada por nenhum outro hormônio. Portanto, a perda de insulina, ou falta de resposta à insulina, é muito séria e causa diabetes tipo I ou II, respectivamente. (Veja estado de absorção, abaixo.)

B. Como Efetores Liberar Glicose?

1. Efetor primário para liberação = Fígado

uma. O fígado é o único órgão que pode liberar quantidades significativas de glicose no sangue - por quê? O fígado possui fosfatase para G-6-P. O músculo e o tecido adiposo não.

b. Outros tecidos liberam outras coisas. Outros tecidos podem quebrar os estoques (gordura, glicogênio) para liberar ácidos graxos ou lactato no sangue, mas não podem liberar glicose.

2. Geral: Os estoques são divididos para gerar pequenas moléculas que o fígado libera glicose no sangue.

uma. Receptor: O glucagon atua por meio de um receptor ligado à proteína G que ativa a via do cAMP. Portanto, ele ativa PKA. Veja o texto ou folheto sobre o metabolismo do glicogênio para obter detalhes.

b. Efeitos: O efeito fisiológico primário é no fígado que geralmente promove a produção / liberação de glicose, não a captação ou utilização. (A glicose é produzida tanto pela quebra do glicogênio quanto pelo acúmulo de lactato = gliconeogênese. Veja os textos se estiver interessado em detalhes sobre a gliconeogênese.)

c. Epinefrina e Glucagon.

(1) A mesma via de sinalização pode ser usada para ambos os hormônios.

(uma). Como? Epi. (Epinefrina) e amp glucagon se ligam a diferentes receptores, mas ambos os receptores ativam a mesma proteína G e desencadeiam a mesma série de eventos & # 8594 cAMP & # 8594 etc., portanto, podem obter a mesma resposta a ambos os hormônios em mesmo tecido (se ambos os receptores estiverem presentes).

(b). Porque? Dois hormônios controlam o mesmo processo (metabolismo do glicogênio) para diferentes propósitos - Epi para responder ao estresse do glucagon para responder ao baixo nível de açúcar no sangue (manter a homeostase).

(2) Tecidos diferentes podem responder de maneira diferente a esses hormônios. Como? Ambos os hormônios desencadeiam a produção de cAMP e ativação de PKA. Mas existem diferenças em que receptores e / ou qual alvos de PKA estão presentes

  • O músculo tem receptores Epi (mas nenhum receptor de glucagon), portanto, responde ao Epi, mas não ao glucagon

  • O fígado tem receptores para epi e glucagon e responde a ambos.

  • No músculo, a degradação é para o lactato, e o lactato é liberado para o sangue.

  • No fígado, a degradação é em glicose - P, o fosfato é removido e a glicose é liberada no sangue.

d. Significado do glucagon: As ações do glucagon podem ser mimetizadas por outros hormônios (veja acima), não há nenhuma condição médica conhecida causada pela falta de glucagon.

C. Função geral dos efetores - Resumo:

1. Fígado - ambos liberam glicose para o sangue e armazenam o excesso (como glicogênio).

uma. Realiza o armazenamento e a liberação de glicose, de modo que atua como tampão.

b. Único órgão que pode liberar glicose significativa no sangue (o rim pode fazer alguns).

c. Pega glicose sem insulina - usa GLUT 2 (sempre na membrana plasmática), não GLUT 4. A insulina estimula a fosforilação e a utilização do amplificador de glicose, não a captação direta.

2. Músculo - armazena ou libera energia.

Pega glicose armazena o excesso como glicogênio.

Quando o glicogênio é quebrado, libera lactato, não glicose, no sangue.

3. Adiposo Tecido - armazena ou libera gordura / ácidos graxos.

Usa glicose e ácidos graxos amp. Armazena o excesso como gordura.

Quando a gordura é quebrada, libera ácidos graxos no sangue.

4. Todos os três órgãos cooperam - por exemplo, o lactato gerado no músculo não é mais decomposto no músculo - é enviado para o fígado e metabolizado posteriormente no fígado. Para muito mais detalhes do que você precisa, consulte Sadava 50-20 (apenas 7ª ed) ou textos avançados.

D. Estado Absortivo vs Pósabsortivo - Uma visão mais complexa do circuito

1. O que realmente está sendo regulado pela insulina e pelo glucagon? Realmente duas coisas diferentes:

uma. Manutenção da homeostase da glicose

b. Gerenciando um evento episódico (comer) - isso pode ser considerado apenas mais um exemplo de homeostase - aqui a natureza 'episódica' da alimentação gera dois estados básicos que devem ser controlados de forma diferente para manter a homeostase.

2. Existem dois estados principais fornecimento de alimentos (não apenas glicose). Um diagrama detalhado do tráfego de combustível em ambos os estados (que vai muito além do que você precisa) está em Sadava fig. 50.20 (apenas 7ª ed.) E em todos os livros de fisiologia.

uma. Absorvente Estado

(1). Metabolismo de energia: principalmente síntese anabólica & # 8594 e armazenamento amp de macromoléculas.

(2) Fonte de energia: a glicose é a principal fonte de energia.

(3). Risco?Nesse estado, logo após você comer, o risco é que os níveis de glicose no sangue subir demais.

(4). Hormônio: O estado absorvente é totalmente dependente da insulina. A insulina afeta todos os três órgãos efetores.

b. Estado Pósabsortivo

(1). Metabolismo de energia: quebra principalmente catabólica & # 8594 de macromoléculas para liberar glicose *

(2) Fonte de energia: os ácidos graxos são a principal fonte de energia (exceto no cérebro).

(3). Risco? Nesse estado, entre as refeições, o risco é que os níveis de glicose no sangue outonodemais.

(4). Hormônios: O estado pós-absortivo é em grande parte causado pela falta de insulina que também utiliza glucagon, mas os hormônios do estresse (cortisol e epinefrina) podem substituir o glucagon. O glucagon afeta principalmente o fígado.

* (A gliconeogênese também ocorre no fígado = ressíntese de glicose a partir de moléculas menores, consulte os textos se estiver interessado.)

Para perguntas sobre este tópico, consulte conjunto de problemas 7, questões 7-23 a 7-26 e 4R-3.

Para revisar e ter certeza de que entendeu este tópico, preencha as seguintes tabelas:

* O tecido adiposo possui receptores de glucagon, mas não há resposta conhecida aos níveis fisiológicos de glucagon.

Insulina Glucagon
Tipo de receptor / via de sinalização
Efeito sobre a liberação ou absorção de glicose no sangue?
Efeito sobre o glicogênio - síntese ou degradação?
Resultado do metabolismo intracelular da glicose - consumi-la ou gerá-la?
Mobilizar GLUT4?
Efeito nas vias de produção de glicose intracelular - inibir ou estimular?


III. Introdução aos hormônios (endócrinos) e fatores de crescimento

A. Como descrever ou classificar os hormônios?

1. Muitos esquemas de classificação possíveis -- Os hormônios podem ser classificados por efeito, natureza química, origem (qual glândula?), Células-alvo, etc. etc. Consulte o Tópico IV (para referência) para uma lista extensa.

2. Questões para manter em mente à medida que o curso avança

uma. Processos controlados por hormônios - para exemplos, veja acima.

b. As principais glândulas produtoras de hormônio - veremos isso mais tarde.

c. Detalhes para hormônios específicos - para exemplos, veja acima, mais serão discutidos à medida que forem surgindo.

B. Resumo dos papéis e exemplos típicos de hormônios. Veja Becker Tabela 14-3 ou Sadava fig. 41,6 (41,5) para uma tabulação de hormônios por tipo de função (Becker) ou por fonte (Sadava).

1. Resposta ao estresse - cortisol, epinefrina. Regular a frequência cardíaca, pressão arterial, inflamação, etc.

2. Manutenção da homeostase - insulina, glucagon, cortisol. Regular os suprimentos de glicose / energia no sangue e as concentrações de substâncias em geral. Manter condições mais ou menos constantes = homeostase.

3. Regulação de eventos episódicos ou cíclicos - estrogênio, insulina, oxitocina - regula a lactação, gravidez, efeitos da alimentação, etc.

4. Crescimento / regulamentação geral - fatores de crescimento, hormônios trópicos - regulam a produção de outros hormônios. (Observação: nem todos os GFs são endócrinos.)

5. Os hormônios podem ter mais de uma função. Observe que alguns hormônios estão listados duas vezes acima, pois muitos têm várias funções. Por exemplo, o cortisol é feito constantemente para manter a homeostase, mas é secretado em grandes quantidades em resposta ao estresse.


4. Como manter o controle de hormônios - como classificar hormônios e fatores de crescimento amp (ou moléculas de sinal em geral). O que segue é uma lista de verificação para ajudá-lo a acompanhar as várias moléculas de sinal conforme elas surgem. É para fins de referência e estudo e não será discutido em aula.
Algumas dessas perguntas / categorias se sobrepõem, e você não pode responder a todas as perguntas para todos os hormônios, fatores de crescimento, etc., mas a lista ajuda a organizar as informações que você tem.

1. Tipo de ação - É parácrino, endócrino (hormônio), fator de crescimento, neurotransmissor, etc.? (Veja o folheto 7B)

2. Natureza química - É um peptídeo, aminoácido ou derivado, ácido graxo ou derivado, ou esteróide? Consulte a tabela 14-4 de Becker.

3. Onde é feito? Em que glândula ou tecido? (HT? Pâncreas?) Veja Sadava fig. 41,6 (41,5).

4. Células-alvo - onde atua? (Músculo e fígado? Apenas fígado?)

5. Mecanismo de transdução de sinal

A. Localização / tipo de receptor nas células-alvo - O receptor está na superfície ou intracelular? TK * ou proteína G ligada?

B. Tipo de transdução de sinal - Existe um segundo mensageiro? Qual? ** Se nenhum, o que liga o receptor a eventos intracelulares?

C. Modo de ação intracelular - que mecanismo é usado para obter o resultado final? Existe uma mudança na atividade enzimática? mudança na transcrição? Ambas? mudança no estado do canal iônico?

6. O que realmente é feito? O que acontece?

A. Falando bioquimicamente: quais enzimas, proteínas ou genes alvo são afetados (glicogênio fosforilase ativado? Gene para enzima X transcrito?)

B. Resultado final fisiológico: outro hormônio segregado? Glicogênio quebrado e glicose no sangue subindo? Observe que o & quotresultado & quot pode ter várias etapas, e mais de uma às vezes pode ser considerada & quotthe end. & Quot

C. Qual é o ponto (teleológico)? Qual a função geral da ação da molécula de sinal?

1. Uma lista de possibilidades: homeostase, resposta ao estresse, crescimento *, manutenção de algum ciclo

2. Uma versão alternativa da lista: Regulamento das taxas de processos, crescimento e especialização, Conc. de substâncias e resposta ao estresse.

3. As 2 listas são realmente iguais = homeostase (controle de taxas e concentrações de amp), resposta ao estresse e regulação de crescimento (unidirecional e cíclica).

* Os detalhes dos receptores ligados ao TK (ainda) não foram discutidos em 2011. O ponto até agora é que eles não são GPCRs e funcionam de forma diferente.
** Transdução de sinal envolvendo 2 mensageiros diferentes de cAMP será discutida após os nervos.


Próxima vez:
O Dr. Firestein discutirá a Comunicação Elétrica. Se você quiser olhar para frente, veja as palestras 15 e 16 de 2010.


Biologia da metabolização da glicose em células cancerosas

O câncer é uma doença em nível celular que envolve distúrbios hereditários no mecanismo de controle celular. As células cancerosas também precisam adaptar seu metabolismo para sobreviver e se multiplicar sob as condições metabolicamente comprometidas fornecidas pelo microambiente tumoral. As células tumorais alteram seu metabolismo para manter a proliferação celular desregulada e a sobrevivência, mas essa transformação as deixa dependentes do fornecimento constante de nutrientes e energia. Eles alteram seu metabolismo para suportar sua rápida proliferação e expansão por todo o corpo. Após a descoberta do com base no metabolismo alterado das células cancerígenas em 1930, muitos estudos lançaram luz sobre vários aspectos do metabolismo do câncer com um objetivo comum de encontrar novas maneiras de eliminar efetivamente as células tumorais, visando seu metabolismo energético.A pesquisa direcionou a maior parte de seus recursos para elucidar as causas, prevenção e possível cura para o câncer, mas o processo tem sido evasivo, ceifando vidas humanas mais do que nunca. Esta doença é uma manifestação de distúrbios etiológicos e patológicos dos mecanismos que controlam a divisão, diferenciação e metabolismo celular. 50% de todos os tumores humanos carregam alterações genéticas que levam à inativação de algumas proteínas supressoras de tumor. As células cancerosas experimentam mudanças características em seus programas metabólicos, incluindo aumento da captação de glicose, aumento das taxas de glutaminólise e síntese de ácidos graxos, sugerindo que as mudanças metabólicas apoiam o crescimento e a sobrevivência das células tumorais. Nesta revisão, resumimos os principais conceitos da metabolização da glicose e exploramos a base molecular da glicólise aeróbia das células cancerosas.


A sinalização de glicose-TOR regula a estabilidade do PIN2 para orquestrar o gradiente de auxina e a expansão celular em Arabidopsis raiz

O hormônio de crescimento vegetal auxina controla a identidade celular, divisão celular e expansão. Na raiz primária de Arabidopsis há um gradiente robusto de auxina com um pico de concentração na ponta do meristema e uma diminuição significativa em toda a zona de alongamento. Os mecanismos moleculares de como esse gradiente íngreme de auxina é estabelecido e mantido, e como esse gradiente de auxina dentro da raiz se ajusta dinamicamente em resposta a estímulos ambientais ainda são amplamente desconhecidos. Aqui, usando uma grande escala Arabidopsis triagem de mutantes, descrevemos a identificação de PIN2 (PIN-FORMED 2), um facilitador de efluxo de auxina, como um regulador chave a jusante na sinalização de energia de glicose-TOR (alvo de rapamicina). Demonstramos que TOR ativado por glicose fosforila e estabiliza PIN2 e, portanto, influencia a distribuição de gradiente de PIN2 no Arabidopsis raiz primária. Curiosamente, a desregulação de TOR ou PIN2 interrompe a região de auxina baixa promovida por glicose localizada na zona de alongamento que é essencial para o alongamento celular. Tomados em conjunto, nossos resultados lançam luz sobre como o carbono e o status metabólico podem ser integrados com os processos dirigidos por hormônios para orquestrar programas complexos de crescimento de plantas.

Palavras-chave: Alvo de raiz de glicose de auxina PIN2 da rapamicina.

Copyright © 2020 o (s) autor (es). Publicado pela PNAS.

Declaração de conflito de interesse

Os autores declaram não haver interesses concorrentes.

Figuras

O PIN2 é um regulador principal a jusante na sinalização de glicose-TOR. ( UMA ) Imagens ...

Glucose-TOR modula auxina e PIN2 ...

Glucose-TOR modula regiões de distribuição de auxina e PIN2 na raiz. ( UMA ) Expressão ...


Movimento através das membranas

Uma habilidade importante das células é transportar materiais para dentro e para fora da célula através da membrana celular. Esses movimentos geralmente se enquadram nas categorias de transporte passivo ou transporte Ativo.

Transporte passivo

O transporte passivo é o movimento de moléculas que não requer a energia da célula. Existem três formas principais de transporte passivo.

Difusão simples é o movimento das moléculas em seu gradiente de concentração (região de alta concentração para região de baixa concentração) sem o uso de energia. A taxa de difusão varia de membrana para membrana por causa de diferentes permeabilidades seletivas. Exemplos de itens que passam facilmente incluem pequenas substâncias sem carga, como as seguintes:

  • Água
  • Lipídios (devido à não polaridade)
  • Oxigênio (devido à não polaridade)
  • Dióxido de carbono
  • Algum desperdício
  • Alguns aminoácidos

Osmose é a difusão passiva da água em seu gradiente de concentração (região de alta concentração para região de baixa concentração) através de membranas seletivamente permeáveis. A água fluirá de uma região com uma concentração de soluto mais baixa (hipotônico) para uma região com uma concentração mais alta (hipertônico) A água “dilui” a área com mais soluto e torna a área com menos soluto menos aquosa até que ambas as áreas tenham a mesma concentração de soluto.

Difusão facilitada é a difusão de partículas através de uma membrana seletivamente permeável com a ajuda das proteínas de transporte da membrana. Os canais de transporte são específicos quanto ao que podem transportar e possuem locais de ligação projetados para moléculas de interesse. Esses locais de ligação são projetados de tal forma que usá-los para transportar partículas não requer energia.

Transporte Ativo

Transporte ativo é o movimento de partículas através de uma membrana seletivamente permeável contra seu gradiente de concentração (de baixa concentração a alta), exigindo uma entrada de energia (ATP). Transporte ativo é vital à capacidade das células de manter concentrações particulares de substâncias, apesar das concentrações ambientais.

Alguns processos associados ao transporte ativo incluem o seguinte:

  • Endocitose - um processo no qual as substâncias são trazidas para as células pelo invólucro das substâncias em uma vesícula criada por membrana
  • Pinocitose - envolve o transporte de solutos ou fluidos
  • Fagocitose - o movimento de partículas grandes ou células inteiras (ex: os fagócitos são células do sistema imunológico que envolvem bactérias e vírus e os eliminam com enzimas lisossomais)
  • Exocitose - um processo no qual uma vesícula funciona como uma rampa de lixo, acompanhando a substância (embalada) até a membrana plasmática, fundindo-se com a membrana e ejetando a substância para fora da célula

o bomba de sódio-potássio é uma importante bomba nas células animais. Por meio desse transporte, 2 potássios são movidos para cada 3 de sódio contra seus respectivos gradientes de concentração. Isso garante que as células tenham uma concentração muito alta de potássio e uma concentração muito baixa de sódio em todos os momentos (a difusão quer mover o sódio para dentro e o potássio para fora para equalizar)


Ácidos nucleicos

Os ácidos nucléicos & # x02014DNA e RNA & # x02014 são as principais moléculas informativas da célula. Ácido desoxirribonucléico (DNA) tem um papel único como o material genético, que nas células eucarióticas está localizado no núcleo. Diferentes tipos de ácido ribonucleico (RNA) participar de uma série de atividades celulares. RNA mensageiro (mRNA) carrega informações do DNA para os ribossomos, onde serve como um modelo para a síntese de proteínas. Dois outros tipos de RNA (RNA ribossômico e RNA de transferência) estão envolvidos na síntese de proteínas. Ainda outros tipos de RNAs estão envolvidos no processamento e transporte de RNAs e proteínas. Além de atuar como uma molécula informativa, o RNA também é capaz de catalisar uma série de reações químicas. Nas células atuais, isso inclui reações envolvidas na síntese de proteínas e no processamento de RNA.

DNA e RNA são polímeros de nucleotídeos, que consistem em purina e pirimidina bases ligadas a açúcares fosforilados (Figura 2.10). O DNA contém duas purinas (adenina e guanina) e duas pirimidinas (citosina e timina). Adenina, guanina e citosina também estão presentes no RNA, mas o RNA contém uracila no lugar de timina. As bases estão ligadas aos açúcares (2& # x02032-deoxirribose no DNA, ou ribose no RNA) para formar nucleosídeos. Os nucleotídeos contêm adicionalmente um ou mais grupos fosfato ligados ao carbono 5 & # x02032 de açúcares de nucleosídeo.

Figura 2.10

Componentes dos ácidos nucléicos. Os ácidos nucleicos contêm bases de purina e pirimidina ligadas a açúcares fosforilados. Uma base de ácido nucleico ligada a um açúcar sozinho é um nucleosídeo. Os nucleotídeos contêm adicionalmente um ou mais grupos fosfato.

A polimerização de nucleotídeos para formar ácidos nucleicos envolve a formação de ligações fosfodiéster entre o fosfato 5 & # x02032 de um nucleotídeo e o hidroxila 3 & # x02032 de outro (Figura 2.11). Os oligonucleotídeos são pequenos polímeros contendo apenas alguns nucleotídeos; os grandes polinucleotídeos que compõem o RNA e o DNA celulares podem conter milhares ou milhões de nucleotídeos, respectivamente. É importante notar que uma cadeia polinucleotídica tem um senso de direção, com uma extremidade da cadeia terminando em um grupo fosfato 5 & # x02032 e a outra em um grupo hidroxila 3 & # x02032. Os polinucleotídeos são sempre sintetizados na direção 5 & # x02032 a 3 & # x02032, com um nucleotídeo livre sendo adicionado ao grupo 3 & # x02032 OH de uma cadeia em crescimento. Por convenção, a sequência de bases no DNA ou RNA também é escrita na direção 5 & # x02032 a 3 & # x02032.

Figura 2.11

Polimerização de nucleotídeos. Uma ligação fosfodiéster é formada entre o grupo hidroxila 3 & # x02032 de um nucleotídeo e o grupo fosfato 5 & # x02032 de outro. Uma cadeia polinucleotídica tem um sentido de direção, uma extremidade terminando em 5 & # x02032 (mais.)

As informações no DNA e no RNA são transmitidas pela ordem das bases na cadeia polinucleotídica. O DNA é uma molécula de fita dupla que consiste em duas cadeias polinucleotídicas que correm em direções opostas (ver Capítulo 3). As bases estão no interior da molécula e as duas cadeias são unidas por ligações de hidrogênio entre pares de bases complementares & # x02014adenina emparelhando com timina e guanina com citosina (Figura 2.12). A conseqüência importante desse par de bases complementares é que uma fita de DNA (ou RNA) pode atuar como um molde para direcionar a síntese de uma fita complementar. Os ácidos nucléicos são, portanto, capazes de dirigir sua própria autorreplicação, permitindo que funcionem como moléculas informativas fundamentais da célula. As informações transportadas pelo DNA e pelo RNA direcionam a síntese de proteínas específicas, que controlam a maioria das atividades celulares.

Figura 2.12

Emparelhamento complementar entre bases de ácido nucleico. A formação de ligações de hidrogênio entre bases em fitas opostas de DNA leva ao emparelhamento específico de guanina (G) com citosina (C) e adenina (A) com timina (T).

Os nucleotídeos não são apenas importantes como blocos de construção dos ácidos nucléicos, mas também desempenham papéis críticos em outros processos celulares. Talvez o exemplo mais proeminente seja a adenosina 5 & # x02032-trifosfato (ATP), que é a principal forma de energia química dentro das células. Outros nucleotídeos funcionam de forma semelhante como transportadores de energia ou de grupos químicos reativos em uma ampla variedade de reações metabólicas. Além disso, alguns nucleotídeos (por exemplo, AMP cíclico) são moléculas de sinalização importantes dentro das células (ver Capítulo 13).


Estudo do NIH mostra como a insulina estimula as células de gordura a absorverem glicose

As descobertas podem ajudar a entender o diabetes e as condições relacionadas.

Usando microscopia de alta resolução, pesquisadores do National Institutes of Health mostraram como a insulina estimula as células de gordura a absorver a glicose em um modelo de rato. As descobertas foram publicadas na edição de 8 de setembro da revista Cell Metabolism.

Ao estudar a superfície de células de gordura vivas e saudáveis ​​em ratos, os pesquisadores foram capazes de compreender o processo pelo qual as células absorvem a glicose. Em seguida, eles planejam observar as células de gordura de pessoas com vários graus de sensibilidade à insulina, incluindo resistência à insulina - considerada um precursor do diabetes tipo 2 (http://diabetes.niddk.nih.gov). Essas observações podem ajudar a identificar o intervalo em que alguém corre o risco de desenvolver diabetes.

"O que estamos fazendo aqui é realmente tentar entender como as proteínas transportadoras de glicose chamadas GLUT4 funcionam em células normais sensíveis à insulina", disse Karin G. Stenkula, Ph.D., pesquisadora do Instituto Nacional de Diabetes e Digestivo e Doenças renais (NIDDK) e um dos principais autores do artigo. "Com uma compreensão de como esses transportadores nas células de gordura respondem à insulina, poderíamos detectar as diferenças entre uma célula sensível à insulina e uma célula resistente à insulina, para aprender como a resposta se torna prejudicada. Esperamos identificar quando uma pessoa se torna pré -diabético, antes de desenvolverem diabetes. "

A glicose, um açúcar simples, fornece energia para as funções celulares. Depois que o alimento é digerido, a glicose é liberada na corrente sanguínea. Em resposta, o pâncreas secreta insulina, que direciona o músculo e as células de gordura a absorverem a glicose. As células obtêm energia da glicose ou a convertem em gordura para armazenamento de longo prazo.

Como uma chave se encaixa em uma fechadura, a insulina se liga a receptores na superfície da célula, fazendo com que as moléculas de GLUT4 cheguem à superfície da célula. Como o nome indica, as proteínas transportadoras de glicose atuam como veículos para transportar a glicose para dentro da célula.

Para obter imagens detalhadas de como o GLUT4 é transportado e se move através da membrana celular, os pesquisadores usaram imagens de alta resolução para observar o GLUT4 que foi marcado com um corante fluorescente.

Os pesquisadores então observaram células de gordura suspensas em um líquido neutro e, posteriormente, embebidas em uma solução de insulina, para determinar a atividade do GLUT4 na ausência e na presença de insulina.

No líquido neutro, os pesquisadores descobriram que moléculas individuais de GLUT4, bem como clusters de GLUT4, foram distribuídas pela membrana celular em números iguais. Dentro da célula, o GLUT4 estava contido em estruturas semelhantes a balões conhecidas como vesículas. As vesículas transportaram GLUT4 para a membrana celular e se fundiram com a membrana, um processo conhecido como fusão.

Após a fusão, as moléculas individuais de GLUT4 são as primeiras a entrar na membrana celular, movendo-se em uma taxa contínua, mas relativamente infrequente. Os pesquisadores denominaram esse processo de fusão com liberação.

Quando exposto à insulina, no entanto, a taxa de entrada de GLUT4 total na membrana celular atingiu o pico, quadruplicando em três minutos. Os pesquisadores observaram um aumento dramático na fusão com liberação - 60 vezes mais frequentemente nas células expostas à insulina do que nas células não expostas à insulina.

Após a exposição à insulina, ocorreu uma sequência complexa, com o GLUT4 mudando de aglomerados para moléculas individuais de GLUT4. Com base na quantidade total de glicose que as células ingeriram, os pesquisadores deduziram que a glicose foi introduzida na célula por moléculas individuais de GLUT4, bem como por GLUT4 agrupado. Os pesquisadores também observaram que, após quatro minutos, a entrada de GLUT4 na membrana celular começou a diminuir, caindo para níveis observados no líquido neutro em 10 a 15 minutos.

"A magnitude dessa mudança mostra o quão importante é a regulação desse processo para a sobrevivência da célula e para a função normal de todo o corpo", disse Joshua Zimmerberg, Ph.D., MD, autor sênior e diretor do artigo do Programa de Biologia Física do Instituto Nacional de Saúde Infantil e Desenvolvimento Humano (NICHD) Eunice Kennedy Shriver.

A próxima equipe de pesquisa planeja examinar a atividade dos transportadores de glicose nas células de gordura humanas, disse Zimmerberg. "Entender como a insulina prepara a célula para a captação de glicose pode levar a ideias para estimular essa atividade quando as células se tornam resistentes à insulina."


Conteúdo

As células são de dois tipos: eucarióticas, que contêm um núcleo, e procarióticas, que não contêm. Os procariotos são organismos unicelulares, enquanto os eucariotos podem ser unicelulares ou multicelulares.

Células procarióticas

Os procariotos incluem bactérias e arquéias, dois dos três domínios da vida. As células procarióticas foram a primeira forma de vida na Terra, caracterizada por ter processos biológicos vitais, incluindo a sinalização celular. Eles são mais simples e menores do que as células eucarióticas e não têm um núcleo e outras organelas ligadas à membrana. O DNA de uma célula procariótica consiste em um único cromossomo circular que está em contato direto com o citoplasma. A região nuclear do citoplasma é chamada de nucleóide. A maioria dos procariotos é o menor de todos os organismos, variando de 0,5 a 2,0 μm de diâmetro. [13]

Uma célula procariótica possui três regiões:

  • Envolvendo a célula está o envelope celular - geralmente consistindo de uma membrana plasmática coberta por uma parede celular que, para algumas bactérias, pode ser ainda coberta por uma terceira camada chamada cápsula. Embora a maioria dos procariontes tenham uma membrana celular e uma parede celular, há exceções, como Mycoplasma (bactérias) e Thermoplasma (archaea) que possuem apenas a camada de membrana celular. O envelope dá rigidez à célula e separa o interior da célula de seu ambiente, servindo como filtro protetor. A parede celular consiste em peptidoglicano em bactérias e atua como uma barreira adicional contra forças externas. Também evita que a célula se expanda e rompa (citólise) por pressão osmótica devido a um ambiente hipotônico. Algumas células eucarióticas (células vegetais e células fúngicas) também possuem uma parede celular.
  • Dentro da célula está a região citoplasmática que contém o genoma (DNA), ribossomos e vários tipos de inclusões. [4] O material genético é encontrado livremente no citoplasma. Os procariotos podem carregar elementos extracromossômicos de DNA chamados plasmídeos, que geralmente são circulares. Plasmídeos bacterianos lineares foram identificados em várias espécies de bactérias espiroquetas, incluindo membros do gênero Borrelia notavelmente Borrelia burgdorferi, que causa a doença de Lyme. [14] Embora não formando um núcleo, o DNA está condensado em um nucleóide. Os plasmídeos codificam genes adicionais, como genes de resistência a antibióticos.
  • Do lado de fora, flagelos e pili se projetam da superfície da célula. São estruturas (não presentes em todos os procariontes) feitas de proteínas que facilitam o movimento e a comunicação entre as células.

Células eucarióticas

Plantas, animais, fungos, fungos viscosos, protozoários e algas são todos eucarióticos. Essas células são cerca de quinze vezes mais largas do que um procarioto típico e podem ser até mil vezes maiores em volume. A principal característica distintiva dos eucariotos em comparação com os procariontes é a compartimentação: a presença de organelas ligadas à membrana (compartimentos) nas quais atividades específicas ocorrem. O mais importante entre eles é o núcleo da célula, [4] uma organela que abriga o DNA da célula. Este núcleo dá ao eucarioto seu nome, que significa "kernel verdadeiro (núcleo)". Outras diferenças incluem:

  • A membrana plasmática se assemelha à dos procariotos em função, com pequenas diferenças na configuração. As paredes celulares podem ou não estar presentes.
  • O DNA eucariótico é organizado em uma ou mais moléculas lineares, chamadas cromossomos, que estão associadas a proteínas histonas. Todo o DNA cromossômico é armazenado no núcleo da célula, separado do citoplasma por uma membrana. [4] Algumas organelas eucarióticas, como as mitocôndrias, também contêm algum DNA.
  • Muitas células eucarióticas são ciliadas com cílios primários. Cílios primários desempenham papéis importantes na quimiossensação, mecanossensação e termossensação. Cada cílio pode, portanto, ser "visto como uma antena celular sensorial que coordena um grande número de vias de sinalização celular, às vezes acoplando a sinalização à motilidade ciliar ou, alternativamente, à divisão e diferenciação celular". [15]
  • Os eucariotos móveis podem se mover usando cílios móveis ou flagelos. As células móveis estão ausentes em coníferas e plantas com flores. [16] Os flagelos eucarióticos são mais complexos do que os procariontes. [17]

Todas as células, sejam procarióticas ou eucarióticas, têm uma membrana que envolve a célula, regula o que se move para dentro e para fora (seletivamente permeável) e mantém o potencial elétrico da célula. Dentro da membrana, o citoplasma ocupa a maior parte do volume da célula.Todas as células (exceto os glóbulos vermelhos que carecem de um núcleo celular e a maioria das organelas para acomodar o espaço máximo para a hemoglobina) possuem DNA, o material hereditário dos genes, e RNA, contendo as informações necessárias para construir várias proteínas, como enzimas, o mecanismo primário da célula . Existem também outros tipos de biomoléculas nas células. Este artigo lista esses componentes celulares primários e, em seguida, descreve brevemente sua função.

Membrana

A membrana celular, ou membrana plasmática, é uma membrana biológica que envolve o citoplasma de uma célula. Em animais, a membrana plasmática é o limite externo da célula, enquanto em plantas e procariotos é geralmente coberta por uma parede celular. Essa membrana serve para separar e proteger uma célula do ambiente circundante e é feita principalmente de uma camada dupla de fosfolipídios, que são anfifílicos (parcialmente hidrofóbicos e parcialmente hidrofílicos). Conseqüentemente, a camada é chamada de bicamada fosfolipídica ou, às vezes, membrana de mosaico fluido. Embutida nessa membrana está uma estrutura macromolecular chamada porossomo, o portal secretor universal nas células e uma variedade de moléculas de proteína que atuam como canais e bombas que movem diferentes moléculas para dentro e para fora da célula. [4] A membrana é semipermeável e seletivamente permeável, pois pode deixar uma substância (molécula ou íon) passar livremente, passar por uma extensão limitada ou não passar. As membranas da superfície celular também contêm proteínas receptoras que permitem que as células detectem moléculas de sinalização externas, como hormônios.

Citoesqueleto

O citoesqueleto atua para organizar e manter a forma da célula, ancora organelas no lugar, ajuda durante a endocitose, a captação de materiais externos por uma célula e a citocinese, a separação de células filhas após a divisão celular e move partes da célula em processos de crescimento e mobilidade . O citoesqueleto eucariótico é composto de microtúbulos, filamentos intermediários e microfilamentos. No citoesqueleto de um neurônio, os filamentos intermediários são conhecidos como neurofilamentos. Há um grande número de proteínas associadas a eles, cada uma controlando a estrutura de uma célula ao direcionar, agrupar e alinhar os filamentos. [4] O citoesqueleto procariótico é menos estudado, mas está envolvido na manutenção da forma celular, polaridade e citocinese. [19] A subunidade proteica dos microfilamentos é uma pequena proteína monomérica chamada actina. A subunidade dos microtúbulos é uma molécula dimérica chamada tubulina. Os filamentos intermediários são heteropolímeros cujas subunidades variam entre os tipos de células em diferentes tecidos. Mas algumas das proteínas da subunidade dos filamentos intermediários incluem vimentina, desmina, lamina (laminas A, B e C), queratina (múltiplas queratinas ácidas e básicas), proteínas neurofilamentares (NF – L, NF – M).

Material genético

Existem dois tipos diferentes de material genético: ácido desoxirribonucléico (DNA) e ácido ribonucléico (RNA). As células usam DNA para armazenamento de informações de longo prazo. A informação biológica contida em um organismo é codificada em sua sequência de DNA. [4] O RNA é usado para transporte de informação (por exemplo, mRNA) e funções enzimáticas (por exemplo, RNA ribossomal). Moléculas de RNA de transferência (tRNA) são usadas para adicionar aminoácidos durante a tradução de proteínas.

O material genético procariótico é organizado em um cromossomo bacteriano circular simples na região nucleóide do citoplasma. O material genético eucariótico é dividido em diferentes [4] moléculas lineares chamadas cromossomos dentro de um núcleo discreto, geralmente com material genético adicional em algumas organelas como mitocôndrias e cloroplastos (ver teoria endossimbiótica).

Uma célula humana possui material genético contido no núcleo da célula (o genoma nuclear) e na mitocôndria (o genoma mitocondrial). Em humanos, o genoma nuclear é dividido em 46 moléculas de DNA lineares chamadas cromossomos, incluindo 22 pares de cromossomos homólogos e um par de cromossomos sexuais. O genoma mitocondrial é uma molécula de DNA circular distinta do DNA nuclear. Embora o DNA mitocondrial seja muito pequeno em comparação com os cromossomos nucleares, [4] ele codifica 13 proteínas envolvidas na produção de energia mitocondrial e tRNAs específicos.

Material genético estranho (mais comumente DNA) também pode ser introduzido artificialmente na célula por um processo denominado transfecção. Isso pode ser transitório, se o DNA não estiver inserido no genoma da célula, ou estável, se estiver. Certos vírus também inserem seu material genético no genoma.

Organelas

Organelas são partes da célula adaptadas e / ou especializadas para realizar uma ou mais funções vitais, análogas aos órgãos do corpo humano (como o coração, pulmão e rim, com cada órgão desempenhando uma função diferente). [4] Ambas as células eucarióticas e procarióticas têm organelas, mas as organelas procarióticas são geralmente mais simples e não são ligadas à membrana.

Existem vários tipos de organelas em uma célula. Alguns (como o núcleo e o aparelho de golgi) são tipicamente solitários, enquanto outros (como mitocôndrias, cloroplastos, peroxissomos e lisossomas) podem ser numerosos (centenas a milhares). O citosol é o líquido gelatinoso que preenche a célula e envolve as organelas.

Eucariótica

  • Núcleo celular: Um centro de informação celular, o núcleo da célula é a organela mais conspícua encontrada em uma célula eucariótica. Abriga os cromossomos da célula e é o local onde ocorre quase toda a replicação do DNA e síntese (transcrição) do RNA. O núcleo é esférico e separado do citoplasma por uma membrana dupla chamada de envelope nuclear. O envelope nuclear isola e protege o DNA de uma célula de várias moléculas que podem danificar acidentalmente sua estrutura ou interferir em seu processamento. Durante o processamento, o DNA é transcrito ou copiado em um RNA especial, denominado RNA mensageiro (mRNA). Esse mRNA é então transportado para fora do núcleo, onde é traduzido em uma molécula de proteína específica. O nucléolo é uma região especializada dentro do núcleo onde as subunidades do ribossomo são montadas. Em procariotos, o processamento do DNA ocorre no citoplasma. [4]
  • Mitocôndrias e cloroplastos: gerar energia para a célula. As mitocôndrias são organelas autorreplicantes que ocorrem em vários números, formas e tamanhos no citoplasma de todas as células eucarióticas. [4] A respiração ocorre na mitocôndria celular, que gera a energia da célula por fosforilação oxidativa, usando oxigênio para liberar a energia armazenada nos nutrientes celulares (tipicamente pertencente à glicose) para gerar ATP. As mitocôndrias se multiplicam por fissão binária, como os procariontes. Os cloroplastos só podem ser encontrados em plantas e algas e capturam a energia do sol para produzir carboidratos por meio da fotossíntese.
  • Retículo endoplasmático: O retículo endoplasmático (RE) é uma rede de transporte de moléculas direcionadas para certas modificações e destinos específicos, em comparação com as moléculas que flutuam livremente no citoplasma. O ER tem duas formas: o ER rugoso, que possui ribossomos em sua superfície que secretam proteínas no ER, e o ER liso, que não tem ribossomos. [4] O RE suave desempenha um papel no sequestro e na liberação de cálcio.
  • Aparelho de Golgi: A principal função do aparelho de Golgi é processar e empacotar macromoléculas, como proteínas e lipídios, que são sintetizados pela célula.
  • Lisossomos e peroxissomos: Os lisossomos contêm enzimas digestivas (hidrolases ácidas). Eles digerem organelas em excesso ou gastas, partículas de alimentos e vírus ou bactérias engolfados. Os peroxissomos têm enzimas que livram a célula de peróxidos tóxicos. A célula não poderia abrigar essas enzimas destrutivas se elas não estivessem contidas em um sistema ligado à membrana. [4]
  • Centrossoma: o organizador do citoesqueleto: o centrossoma produz os microtúbulos de uma célula - um componente-chave do citoesqueleto. Dirige o transporte através do ER e do aparelho de Golgi. Os centrossomos são compostos por dois centríolos, que se separam durante a divisão celular e auxiliam na formação do fuso mitótico. Um único centrossoma está presente nas células animais. Eles também são encontrados em alguns fungos e células de algas.
  • Vacúolos: Os vacúolos sequestram os produtos residuais e, nas células das plantas, armazenam água. Eles são frequentemente descritos como espaços preenchidos com líquido e são cercados por uma membrana. Algumas células, mais notavelmente Ameba, têm vacúolos contráteis, que podem bombear água para fora da célula se houver muita água. Os vacúolos das células vegetais e das células fúngicas são geralmente maiores do que os das células animais.

Eucariótica e procariótica

  • Ribossomos: O ribossomo é um grande complexo de moléculas de RNA e proteínas. [4] Cada um deles consiste em duas subunidades e atuam como uma linha de montagem onde o RNA do núcleo é usado para sintetizar proteínas a partir de aminoácidos. Os ribossomos podem ser encontrados flutuando livremente ou ligados a uma membrana (o retículo endoplasmático rugoso nos eucariotos ou a membrana celular nos procariotos). [20]

Muitas células também possuem estruturas que existem total ou parcialmente fora da membrana celular. Essas estruturas são notáveis ​​porque não são protegidas do ambiente externo pela membrana celular semipermeável. Para montar essas estruturas, seus componentes devem ser transportados através da membrana celular por processos de exportação.

Parede celular

Muitos tipos de células procarióticas e eucarióticas possuem uma parede celular. A parede celular atua protegendo a célula mecânica e quimicamente de seu ambiente, e é uma camada adicional de proteção à membrana celular. Diferentes tipos de células têm paredes celulares compostas de diferentes materiais as paredes das células vegetais são feitas principalmente de celulose, as paredes das células dos fungos são feitas de quitina e as paredes das células das bactérias são feitas de peptidoglicano.

Procariota

Cápsula

Uma cápsula gelatinosa está presente em algumas bactérias fora da membrana celular e da parede celular. A cápsula pode ser polissacarídeo como em pneumococos, meningococos ou polipeptídeo como Bacillus anthracis ou ácido hialurônico como em estreptococos. As cápsulas não são marcadas por protocolos de coloração normais e podem ser detectadas por tinta da Índia ou azul de metila, o que permite maior contraste entre as células para observação. [21]: 87

Flagelos

Flagelos são organelas para mobilidade celular. O flagelo bacteriano se estende do citoplasma através da (s) membrana (s) celular (s) e se expande através da parede celular. Eles são apêndices longos e grossos em forma de fio, proteínas por natureza. Um tipo diferente de flagelo é encontrado em arquéias e um tipo diferente é encontrado em eucariotos.

Fimbriae

A fímbria (fímbrias plurais também conhecidas como pilus, pili plural) é um filamento curto, fino e semelhante a um cabelo encontrado na superfície das bactérias. Os fímbrios são formados por uma proteína chamada pilin (antigênica) e são responsáveis ​​pela fixação de bactérias a receptores específicos nas células humanas (adesão celular). Existem tipos especiais de pili envolvidos na conjugação bacteriana.

Replicação

A divisão celular envolve uma única célula (chamada de célula mãe) dividindo-se em duas células-filhas. Isso leva ao crescimento em organismos multicelulares (o crescimento do tecido) e à procriação (reprodução vegetativa) em organismos unicelulares. As células procarióticas se dividem por fissão binária, enquanto as células eucarióticas geralmente passam por um processo de divisão nuclear, denominado mitose, seguido de divisão da célula, denominado citocinese. Uma célula diplóide também pode sofrer meiose para produzir células haplóides, geralmente quatro. As células haplóides atuam como gametas em organismos multicelulares, fundindo-se para formar novas células diplóides.

A replicação do DNA, ou o processo de duplicação do genoma de uma célula, [4] sempre ocorre quando uma célula se divide por mitose ou fissão binária. Isso ocorre durante a fase S do ciclo celular.

Na meiose, o DNA é replicado apenas uma vez, enquanto a célula se divide duas vezes. A replicação do DNA ocorre apenas antes da meiose I. A replicação do DNA não ocorre quando as células se dividem pela segunda vez, na meiose II. [22] A replicação, como todas as atividades celulares, requer proteínas especializadas para realizar o trabalho. [4]

Reparo de DNA

Em geral, as células de todos os organismos contêm sistemas enzimáticos que examinam seu DNA em busca de danos e realizam processos de reparo quando os danos são detectados. [23] Diversos processos de reparo evoluíram em organismos que variam de bactérias a humanos. A prevalência generalizada desses processos de reparo indica a importância de manter o DNA celular em um estado não danificado, a fim de evitar a morte celular ou erros de replicação devido a danos que poderiam levar à mutação. E. coli as bactérias são um exemplo bem estudado de um organismo celular com diversos processos de reparo de DNA bem definidos. Estes incluem: (1) reparo de excisão de nucleotídeo, (2) reparo de incompatibilidade de DNA, (3) junção de extremidade não homóloga de quebras de fita dupla, (4) reparo de recombinação e (5) reparo dependente de luz (fotoreativação).

Crescimento e metabolismo

Entre sucessivas divisões celulares, as células crescem por meio do funcionamento do metabolismo celular. O metabolismo celular é o processo pelo qual as células individuais processam as moléculas de nutrientes. O metabolismo tem duas divisões distintas: catabolismo, no qual a célula quebra moléculas complexas para produzir energia e poder redutor, e anabolismo, no qual a célula usa energia e poder redutor para construir moléculas complexas e realizar outras funções biológicas. Açúcares complexos consumidos pelo organismo podem ser decompostos em moléculas de açúcar mais simples, chamadas monossacarídeos, como a glicose. Uma vez dentro da célula, a glicose é quebrada para formar trifosfato de adenosina (ATP), [4] uma molécula que possui energia prontamente disponível, por meio de duas vias diferentes.

Síntese proteíca

As células são capazes de sintetizar novas proteínas, essenciais para a modulação e manutenção das atividades celulares. Este processo envolve a formação de novas moléculas de proteína a partir de blocos de construção de aminoácidos com base em informações codificadas em DNA / RNA. A síntese de proteínas geralmente consiste em duas etapas principais: transcrição e tradução.

A transcrição é o processo em que a informação genética no DNA é usada para produzir uma fita complementar de RNA. Esta fita de RNA é então processada para dar RNA mensageiro (mRNA), que é livre para migrar através da célula. As moléculas de mRNA ligam-se a complexos de proteína-RNA chamados ribossomos, localizados no citosol, onde são traduzidos em sequências polipeptídicas. O ribossomo medeia a formação de uma sequência polipeptídica com base na sequência de mRNA. A sequência de mRNA se relaciona diretamente com a sequência de polipeptídeo por ligação a moléculas adaptadoras de RNA de transferência (tRNA) em bolsas de ligação dentro do ribossomo. O novo polipeptídeo então se dobra em uma molécula de proteína tridimensional funcional.

Motilidade

Organismos unicelulares podem se mover para encontrar comida ou escapar de predadores. Os mecanismos comuns de movimento incluem flagelos e cílios.

Em organismos multicelulares, as células podem se mover durante processos como a cicatrização de feridas, a resposta imune e a metástase do câncer. Por exemplo, na cicatrização de feridas em animais, os glóbulos brancos se movem para o local da ferida para matar os microorganismos que causam a infecção. A motilidade celular envolve muitos receptores, reticulação, agrupamento, ligação, adesão, motor e outras proteínas. [24] O processo é dividido em três etapas - protrusão da borda dianteira da célula, adesão da borda dianteira e desadesão no corpo celular e posterior e contração do citoesqueleto para puxar a célula para frente. Cada etapa é impulsionada por forças físicas geradas por segmentos únicos do citoesqueleto. [25] [26]

Navegação, controle e comunicação

Em agosto de 2020, os cientistas descreveram uma forma como as células - em particular as células de um fungo viscoso e células derivadas do câncer de pâncreas de camundongo - são capazes de navegar com eficiência por um corpo e identificar as melhores rotas através de labirintos complexos: gerando gradientes após quebrar quimioatraentes difusos que permitir que eles detectem as próximas junções do labirinto antes de alcançá-los, inclusive nos cantos. [27] [28] [29]


Conteúdo

Um equilíbrio de magnésio é vital para o bem-estar de todos os organismos. O magnésio é um íon relativamente abundante na crosta terrestre e no manto e é altamente biodisponível na hidrosfera. Esta disponibilidade, em combinação com uma química útil e muito incomum, pode ter levado à sua utilização na evolução como um íon para sinalização, ativação enzimática e catálise. No entanto, a natureza incomum do magnésio iônico também levou a um grande desafio no uso do íon em sistemas biológicos. As membranas biológicas são impermeáveis ​​ao magnésio (e outros íons), então as proteínas de transporte devem facilitar o fluxo de magnésio, tanto para dentro quanto para fora das células e compartimentos intracelulares.

A clorofila nas plantas converte água em oxigênio como O2. A hemoglobina em animais vertebrados transporta oxigênio como O2 No Sangue. A clorofila é muito semelhante à hemoglobina, exceto que o magnésio está no centro da molécula da clorofila e o ferro está no centro da molécula da hemoglobina, com outras variações. [6] Este processo mantém as células vivas na Terra vivas e mantém os níveis básicos de CO2 e O2 na atmosfera.

Saúde humana Editar

A ingestão inadequada de magnésio freqüentemente causa espasmos musculares e tem sido associada a doenças cardiovasculares, diabetes, hipertensão, distúrbios de ansiedade, enxaquecas, osteoporose e enfarte cerebral. [7] [8] A deficiência aguda (ver hipomagnesemia) é rara e mais comum como efeito colateral de um medicamento (como o uso crônico de álcool ou diurético) do que devido à baixa ingestão alimentar em si, mas pode ocorrer em pessoas alimentadas por via intravenosa por longos períodos de tempo.

O sintoma mais comum de ingestão excessiva de magnésio oral é a diarreia. Suplementos à base de quelatos de aminoácidos (como glicinato, lisinato etc.) são muito mais bem tolerados pelo sistema digestivo e não têm os efeitos colaterais dos compostos mais antigos usados, enquanto os suplementos dietéticos de liberação sustentada evitam a ocorrência de diarreia. [ citação necessária ] Uma vez que os rins de humanos adultos excretam o excesso de magnésio com eficiência, o envenenamento oral por magnésio em adultos com função renal normal é muito raro. Bebês, que têm menos capacidade de excretar o excesso de magnésio mesmo quando saudáveis, não devem receber suplementos de magnésio, exceto sob os cuidados de um médico.

As preparações farmacêuticas com magnésio são usadas para tratar doenças, incluindo deficiência de magnésio e hipomagnesemia, bem como eclâmpsia. [9] Essas preparações geralmente são na forma de sulfato ou cloreto de magnésio quando administradas por via parenteral. O magnésio é absorvido com razoável eficiência (30% a 40%) pelo corpo a partir de qualquer sal de magnésio solúvel, como o cloreto ou citrato. O magnésio é similarmente absorvido dos sais de Epsom, embora o sulfato nesses sais aumente seu efeito laxante em doses mais altas. A absorção de magnésio dos sais insolúveis de óxido e hidróxido (leite de magnésia) é errática e de menor eficiência, pois depende da neutralização e solução do sal pelo ácido do estômago, que pode não ser (e geralmente não é) completa .

O orotato de magnésio pode ser usado como terapia adjuvante em pacientes em tratamento ideal para insuficiência cardíaca congestiva grave, aumentando a taxa de sobrevida e melhorando os sintomas clínicos e a qualidade de vida do paciente. [10]

Edição de condução nervosa

O magnésio pode afetar o relaxamento muscular por meio de ação direta nas membranas celulares. Os íons Mg 2+ fecham certos tipos de canais de cálcio, que conduzem íons de cálcio carregados positivamente para os neurônios. Com um excesso de magnésio, mais canais serão bloqueados e a atividade das células nervosas diminuirá. [11] [12]

Hipertensão Editar

O sulfato de magnésio intravenoso é usado no tratamento da pré-eclâmpsia. [13] Para outra hipertensão que não seja relacionada à gravidez, uma meta-análise de 22 ensaios clínicos com intervalos de dose de 120 a 973 mg / dia e uma dose média de 410 mg concluiu que a suplementação de magnésio teve um efeito pequeno, mas estatisticamente significativo, diminuindo pressão arterial sistólica em 3-4 mm Hg e pressão arterial diastólica em 2-3 mm Hg. O efeito foi maior quando a dose foi superior a 370 mg / dia. [14]

Diabetes e tolerância à glicose Editar

A maior ingestão de magnésio na dieta corresponde a uma menor incidência de diabetes. [15] Para pessoas com diabetes ou com alto risco de diabetes, a suplementação de magnésio reduz a glicose de jejum. [16]

O Instituto de Medicina dos EUA (IOM) atualizou as necessidades médias estimadas (EARs) e as permissões dietéticas recomendadas (RDAs) para o magnésio em 1997. Se não houver informações suficientes para estabelecer EARs e RDAs, uma estimativa designada ingestão adequada (AI) é usada em seu lugar . Os EARs atuais de magnésio para mulheres e homens com 31 anos ou mais são de 265 mg / dia e 350 mg / dia, respectivamente. As RDAs são 320 e 420 mg / dia. Os RDAs são maiores do que os EARs para identificar valores que irão cobrir as pessoas com necessidades acima da média. A RDA para gravidez é de 350 a 400 mg / dia, dependendo da idade da mulher. A RDA para a lactação varia de 310 a 360 mg / dia pelo mesmo motivo. Para crianças de 1 a 13 anos, a RDA aumenta com a idade de 65 para 200 mg / dia. Quanto à segurança, o IOM também define os níveis de ingestão superiores toleráveis ​​(ULs) para vitaminas e minerais quando a evidência é suficiente. No caso do magnésio, o UL é fixado em 350 mg / dia. O UL é específico para o magnésio consumido como suplemento dietético, pois o excesso de magnésio consumido de uma vez pode causar diarreia. O UL não se aplica ao magnésio de origem alimentar. Coletivamente, os EARs, RDAs e ULs são referidos como Dietary Reference Intakes. [17]

Ingestão diária de referência de magnésio [18]
Era Masculino Fêmea Gravidez Lactação
Do nascimento aos 6 meses 30 mg * 30 mg *
7 a 12 meses 75 mg * 75 mg *
1-3 anos 80 mg 80 mg
4-8 anos 130 mg 130 mg
9–13 anos 240 mg 240 mg
14-18 anos 410 mg 360 mg 400 mg 360 mg
19-30 anos 400 mg 310 mg 350 mg 310 mg
31-50 anos 420 mg 320 mg 360 mg 320 mg
51+ anos 420 mg 320 mg

A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos (EFSA) refere-se ao conjunto coletivo de informações como Valores de Referência Alimentares, com Ingestão de Referência da População (PRI) em vez de RDA e Requisito Médio em vez de EAR. AI e UL definidos da mesma forma que nos Estados Unidos. Para mulheres e homens com 18 anos ou mais, os IAs são fixados em 300 e 350 mg / dia, respectivamente. Os IAs para gravidez e lactação também são 300 mg / dia. Para crianças de 1 a 17 anos, os IAs aumentam com a idade de 170 para 250 mg / dia. Esses AIs são inferiores aos RDAs dos EUA. [19] A Autoridade Europeia para a Segurança dos Alimentos revisou a mesma questão de segurança e definiu seu UL em 250 mg / dia - inferior ao valor dos EUA. [20] O UL de magnésio é o único que é menor do que alguns dos RDAs. Aplica-se à ingestão de um agente farmacológico ou suplemento dietético apenas e não inclui a ingestão de alimentos e água.

Para fins de rotulagem de alimentos e suplementos dietéticos dos EUA, a quantidade em uma porção é expressa como uma porcentagem do valor diário (% DV). Para fins de rotulagem de magnésio, 100% do valor diário era de 400 mg, mas em 27 de maio de 2016, foi revisado para 420 mg para ficar de acordo com a RDA. [21] [22] A conformidade com os regulamentos de rotulagem atualizados foi exigida até 1º de janeiro de 2020, para fabricantes com $ 10 milhões ou mais em vendas anuais de alimentos, e em 1º de janeiro de 2021, para fabricantes com menos de $ 10 milhões em vendas anuais de alimentos. [23] [24] [25] Durante os primeiros seis meses após a data de conformidade de 1º de janeiro de 2020, o FDA planeja trabalhar em cooperação com os fabricantes para atender aos novos requisitos do rótulo de Fatos Nutricionais e não se concentrará em ações de fiscalização em relação a esses requisitos durante esse Tempo. [23] Uma tabela dos antigos e novos valores diários para adultos é fornecida na ingestão diária de referência.

Os vegetais verdes, como o espinafre, fornecem magnésio devido à abundância de moléculas de clorofila, que contêm o íon. Nozes (especialmente castanhas do Brasil, castanha de caju e amêndoas), sementes (por exemplo, sementes de abóbora), chocolate amargo, soja torrada, farelo e alguns grãos inteiros também são boas fontes de magnésio. [26]

Embora muitos alimentos contenham magnésio, ele geralmente é encontrado em níveis baixos. Como acontece com a maioria dos nutrientes, é improvável que as necessidades diárias de magnésio sejam satisfeitas com uma porção de qualquer alimento. Comer uma grande variedade de frutas, vegetais e grãos ajudará a garantir a ingestão adequada de magnésio. [ citação necessária ]

Como o magnésio se dissolve prontamente na água, alimentos refinados, que muitas vezes são processados ​​ou cozidos em água e secos, em geral, são fontes pobres de nutrientes. Por exemplo, o pão de trigo integral tem duas vezes mais magnésio do que o pão branco, porque o germe e o farelo ricos em magnésio são removidos quando a farinha branca é processada. A tabela de fontes alimentares de magnésio sugere muitas fontes dietéticas de magnésio. [ citação necessária ]

A água "dura" também pode fornecer magnésio, mas a água "macia" contém menos íon. Pesquisas dietéticas não avaliam a ingestão de magnésio da água, o que pode levar à subestimação da ingestão total de magnésio e sua variabilidade.

O excesso de magnésio pode dificultar a absorção do cálcio pelo corpo. [ citação necessária ] Uma quantidade insuficiente de magnésio pode causar hipomagnesemia, conforme descrito acima, com batimentos cardíacos irregulares, pressão alta (um sinal em humanos, mas não em alguns animais experimentais, como roedores), insônia e espasmos musculares (fasciculação). No entanto, como observado, acredita-se que os sintomas de baixo teor de magnésio devido à deficiência alimentar pura são raramente encontrados.

A seguir estão alguns alimentos e a quantidade de magnésio neles: [27]

    sementes, sem cascas (1/4 xícara) = 303 mg, (1/4 xícara) = 162 mg [28] farinha (1/2 xícara) = 151 mg (1/4 xícara) = 125 mg
  • Farelo de aveia, cru (1/2 xícara) = 110 mg
  • Cacau em pó (1/4 xícara) = 107 mg (3 oz) = 103 mg (1/4 xícara) = 99 mg (1/4 xícara) = 89 mg
  • Farinha de trigo integral (1/2 xícara) = 83 mg, fervida (1/2 xícara) = 79 mg, fervida (1/2 xícara) = 75 mg, 70% de cacau (1 onça) = 73 mg, firme (1 / 2 xícara) = 73 mg, fervido (1/2 xícara) = 60 mg, cozido (1/2 xícara) = 59 mg (2 colheres de sopa) = 50 mg (1/4 xícara) = 46 mg, descascado (1/4 xícara) = 41 mg, fervido (1/2 xícara) = 39 mg, fervido (1/2 xícara) = 37 mg, fervido (1/2 xícara) = 36 mg, cozido (1/2 xícara) = 32 mg ( 1 colher de sopa) = 32 mg, sem gordura (1 xícara) = 27 mg, expresso (1 onça) = 24 mg (1 fatia) = 23 mg

Em animais, foi demonstrado que diferentes tipos de células mantêm diferentes concentrações de magnésio. [29] [30] [31] [32] Parece provável que o mesmo seja verdadeiro para as plantas. [33] [34] Isso sugere que diferentes tipos de células podem regular o influxo e o efluxo de magnésio de maneiras diferentes, com base em suas necessidades metabólicas exclusivas. As concentrações intersticiais e sistêmicas de magnésio livre devem ser delicadamente mantidas pelos processos combinados de tamponamento (ligação de íons a proteínas e outras moléculas) e abafamento (transporte de íons para armazenamento ou espaços extracelulares [35]).

Em plantas, e mais recentemente em animais, o magnésio foi reconhecido como um importante íon sinalizador, tanto ativando quanto mediando muitas reações bioquímicas. O melhor exemplo disso é talvez a regulação da fixação de carbono em cloroplastos no ciclo de Calvin. [36] [37]

O magnésio é muito importante na função celular. A deficiência do nutriente causa doenças no organismo afetado. Em organismos unicelulares, como bactérias e leveduras, baixos níveis de magnésio se manifestam em taxas de crescimento muito reduzidas. Em cepas de bactérias knockout para transporte de magnésio, as taxas saudáveis ​​são mantidas apenas com a exposição a concentrações externas muito altas do íon. [38] [39] Na levedura, a deficiência de magnésio mitocondrial também causa doenças. [40]

Plantas deficientes em magnésio apresentam respostas ao estresse. Os primeiros sinais observáveis ​​de privação de magnésio e superexposição em plantas é uma diminuição na taxa de fotossíntese. Isso se deve à posição central do íon Mg 2+ na molécula de clorofila. Os efeitos posteriores da deficiência de magnésio nas plantas são uma redução significativa no crescimento e na viabilidade reprodutiva. [4] O magnésio também pode ser tóxico para as plantas, embora isso seja normalmente visto apenas em condições de seca. [41] [42]

Em animais, a deficiência de magnésio (hipomagnesemia) é observada quando a disponibilidade ambiental de magnésio é baixa. Em animais ruminantes, particularmente vulneráveis ​​à disponibilidade de magnésio em pastagens, a condição é conhecida como 'grama tetânica'. A hipomagnesemia é identificada por uma perda de equilíbrio devido à fraqueza muscular. [43] Vários transtornos de hipomagnesemia atribuíveis geneticamente também foram identificados em humanos. [44] [45] [46] [47]

A superexposição ao magnésio pode ser tóxica para células individuais, embora esses efeitos tenham sido difíceis de demonstrar experimentalmente. [ citação necessária A hipermagnesemia, uma superabundância de magnésio no sangue, geralmente é causada pela perda da função renal. Animais saudáveis ​​excretam rapidamente o excesso de magnésio na urina e nas fezes. [48] ​​Magnésio urinário é chamado magnesúria. As concentrações características de magnésio em organismos modelo são: em E. coli 30-100 mM (ligado), 0,01-1 mM (livre), em levedura de brotamento 50 mM, em células de mamífero 10 mM (ligado), 0,5 mM (livre) e no plasma sanguíneo 1 mM. [49]

O Mg 2+ é o quarto íon metálico mais abundante nas células (por mole) e o cátion divalente livre mais abundante - como resultado, é profunda e intrinsecamente entrelaçado no metabolismo celular. De fato, enzimas dependentes de Mg 2+ aparecem em praticamente todas as vias metabólicas: a ligação específica de Mg 2+ a membranas biológicas é frequentemente observada, Mg 2+ também é usado como uma molécula de sinalização e grande parte da bioquímica de ácido nucleico requer Mg 2+, incluindo todas as reações que requerem liberação de energia de ATP. [50] [51] [37] Em nucleotídeos, a fração de fosfato triplo do composto é invariavelmente estabilizada por associação com Mg 2+ em todos os processos enzimáticos.

Edição de clorofila

Em organismos fotossintéticos, o Mg 2+ tem o papel vital adicional de ser o íon coordenador na molécula de clorofila. Este papel foi descoberto por Richard Willstätter, que recebeu o Prêmio Nobel de Química em 1915 pela purificação e estrutura da ligação da clorofila com o sexto número de carbono

Edição de enzimas

A química do íon Mg 2+, conforme aplicada às enzimas, usa toda a gama de sua reação química incomum para cumprir uma série de funções. [50] [52] [53] [54] O Mg 2+ interage com substratos, enzimas e, ocasionalmente, ambos (o Mg 2+ pode fazer parte do sítio ativo). Em geral, o Mg 2+ interage com os substratos por meio da coordenação da esfera interna, estabilizando ânions ou intermediários reativos, incluindo também a ligação ao ATP e a ativação da molécula para o ataque nucleofílico. Ao interagir com enzimas e outras proteínas, o Mg 2+ pode se ligar usando coordenação de esfera interna ou externa, para alterar a conformação da enzima ou participar da química da reação catalítica. Em ambos os casos, como o Mg 2+ raramente é totalmente desidratado durante a ligação do ligante, pode ser uma molécula de água associada ao Mg 2+ que é importante, e não o próprio íon. A acidez de Lewis de Mg 2+ (pKuma 11.4) é usado para permitir reações de hidrólise e condensação (as mais comuns sendo a hidrólise do éster de fosfato e a transferência de fosforil) que, de outra forma, exigiriam valores de pH muito removidos dos valores fisiológicos.

Papel essencial na atividade biológica do ATP Edit

O ATP (trifosfato de adenosina), a principal fonte de energia nas células, deve estar ligado a um íon de magnésio para ser biologicamente ativo. O que é chamado de ATP geralmente é na verdade Mg-ATP. [5]

Ácidos nucléicos Editar

Os ácidos nucléicos têm uma importante gama de interações com o Mg 2+. A ligação de Mg 2+ ao DNA e RNA estabiliza a estrutura, o que pode ser observado no aumento da temperatura de fusão (Tm) de DNA de fita dupla na presença de Mg 2+. [50] Além disso, os ribossomos contêm grandes quantidades de Mg 2+ e a estabilização fornecida é essencial para a complexação dessa ribo-proteína. [55] Um grande número de enzimas envolvidas na bioquímica de ácidos nucléicos ligam Mg 2+ para atividade, usando o íon para ativação e catálise. Finalmente, a autocatálise de muitas ribozimas (enzimas contendo apenas RNA) é dependente de Mg 2+ (por exemplo, os íntrons de auto-processamento mitocondrial do grupo II de levedura [56]).

Os íons de magnésio podem ser críticos na manutenção da integridade posicional de grupos de fosfato intimamente agrupados. Esses aglomerados aparecem em várias partes distintas do núcleo e do citoplasma da célula. Por exemplo, os íons Mg 2+ hexa-hidratados se ligam no sulco principal profundo e na boca externa dos duplexes de ácido nucléico de forma A. [57]

Membranas celulares e paredes Editar

Membranas celulares biológicas e paredes celulares são superfícies polianiônicas. Isso tem implicações importantes para o transporte de íons, em particular porque foi demonstrado que diferentes membranas ligam preferencialmente íons diferentes. [50] Tanto o Mg 2+ quanto o Ca 2+ estabilizam regularmente as membranas pela reticulação de grupos principais de lipídios carboxilados e fosforilados. No entanto, a membrana do envelope de E. coli também demonstrou ligar Na +, K +, Mn 2+ e Fe 3+. O transporte de íons depende tanto do gradiente de concentração do íon quanto do potencial elétrico (ΔΨ) através da membrana, que será afetado pela carga na superfície da membrana. Por exemplo, a ligação específica de Mg 2+ ao envelope do cloroplasto foi implicada em uma perda de eficiência fotossintética pelo bloqueio da captação de K + e a subsequente acidificação do estroma do cloroplasto. [36]

Editar Proteínas

O íon Mg 2+ tende a se ligar apenas fracamente às proteínas (Kuma ≤ 10 5 [50]) e isso pode ser explorado pela célula para ligar e desligar a atividade enzimática por meio de alterações na concentração local de Mg 2+. Embora a concentração de Mg 2+ citoplasmático livre seja da ordem de 1 mmol / L, o conteúdo total de Mg 2+ nas células animais é 30 mmol / L [58] e nas plantas o conteúdo de células endodérmicas da folha foi medido em valores tão alto quanto 100 mmol / L (Stelzer et al., 1990), muitos dos quais armazenados em compartimentos de armazenamento. A concentração citoplasmática de Mg 2+ livre é tamponada pela ligação a quelantes (por exemplo, ATP), mas também, o que é mais importante, pelo armazenamento de Mg 2+ em compartimentos intracelulares. O transporte de Mg 2+ entre os compartimentos intracelulares pode ser uma parte importante da regulação da atividade enzimática. A interação do Mg 2+ com as proteínas também deve ser considerada para o transporte do íon através das membranas biológicas.

Manganês Edit

Em sistemas biológicos, apenas o manganês (Mn 2+) é prontamente capaz de substituir o Mg 2+, mas apenas em um conjunto limitado de circunstâncias. Mn 2+ é muito semelhante ao Mg 2+ em termos de suas propriedades químicas, incluindo complexação de camada interna e externa. O Mn 2+ se liga efetivamente ao ATP e permite a hidrólise da molécula de energia pela maioria das ATPases. O Mn 2+ também pode substituir o Mg 2+ como íon ativador de várias enzimas dependentes do Mg 2+, embora alguma atividade enzimática seja geralmente perdida. [50] Às vezes, essas preferências de enzima-metal variam entre espécies intimamente relacionadas: por exemplo, a enzima transcriptase reversa de lentivírus como HIV, SIV e FIV é tipicamente dependente de Mg 2+, enquanto a enzima análoga para outros retrovírus prefere Mn 2+.

Importância na ligação de drogas Editar

Um artigo [59] investigando a base estrutural das interações entre antibióticos clinicamente relevantes e o ribossomo 50S apareceu na Nature em outubro de 2001. A cristalografia de raios-X de alta resolução estabeleceu que esses antibióticos se associam apenas com o rRNA 23S de uma subunidade ribossômica, e não as interações são formadas com a porção de proteína de uma subunidade. O artigo destaca que os resultados mostram "a importância dos íons Mg 2+ putativos para a ligação de alguns fármacos".

Por isótopos radioativos Editar

O uso de elementos traçadores radioativos em ensaios de captação de íons permite o cálculo de km, Ki e Vmax e determina a mudança inicial no conteúdo de íons das células. O 28 Mg decai pela emissão de uma partícula beta ou gama de alta energia, que pode ser medida usando um contador de cintilação. No entanto, a meia-vida radioativa de 28 Mg, o mais estável dos isótopos de magnésio radioativo, é de apenas 21 horas. Isso restringe severamente os experimentos envolvendo o nuclídeo. Além disso, desde 1990, nenhuma instalação produz rotineiramente 28 mg, e o preço por mCi agora está previsto em aproximadamente US $ 30.000. [60] A natureza química do Mg 2+ é tal que é aproximada por alguns outros cátions. [61] No entanto, Co 2+, Mn 2+ e Ni 2+ foram usados ​​com sucesso para imitar as propriedades do Mg 2+ em algumas reações enzimáticas, e as formas radioativas desses elementos foram empregadas com sucesso em estudos de transporte de cátions. A dificuldade de usar a substituição de íons metálicos no estudo da função enzimática é que a relação entre as atividades da enzima com o íon de substituição em comparação com o original é muito difícil de determinar. [61]

Por indicadores fluorescentes Editar

Vários queladores de cátions divalentes têm diferentes espectros de fluorescência nos estados ligado e não ligado. [62] Os quelantes para Ca 2+ estão bem estabelecidos, têm alta afinidade para o cátion e baixa interferência de outros íons. Os quelantes de Mg 2+ ficam para trás e o principal corante de fluorescência para o Mg 2+ (mag-fura 2 [63]), na verdade, tem uma afinidade maior para o Ca 2+. [64] Isso limita a aplicação deste corante a tipos de células onde o nível de repouso de Ca 2+ é & lt 1 μM e não varia com as condições experimentais sob as quais o Mg 2+ deve ser medido. Recentemente, Otten et al. (2001) descreveram o trabalho em uma nova classe de compostos que podem se mostrar mais úteis, tendo afinidades de ligação significativamente melhores para o Mg 2+. [65] O uso de corantes fluorescentes é limitado à medição de Mg 2+ livre. Se a concentração de íons é tamponada pela célula por quelação ou remoção para compartimentos subcelulares, a taxa de captação medida fornecerá apenas valores mínimos de km e Vmax.

Por eletrofisiologia Editar

Primeiro, microeletrodos específicos de íons podem ser usados ​​para medir a concentração interna de íons livres de células e organelas.As principais vantagens são que as leituras podem ser feitas a partir das células ao longo de períodos de tempo relativamente longos e que, ao contrário dos corantes, muito pouca capacidade extra de tamponamento de íons é adicionada às células. [66]

Em segundo lugar, a técnica de pinça de voltagem de dois eletrodos permite a medição direta do fluxo de íons através da membrana de uma célula. [67] A membrana é mantida em um potencial elétrico e a corrente de resposta é medida. Todos os íons que passam pela membrana contribuem para a corrente medida.

Terceiro, a técnica de patch-clamp usa seções isoladas de membrana natural ou artificial da mesma maneira que o clamp de voltagem, mas sem os efeitos secundários de um sistema celular. Sob condições ideais, a condutância de canais individuais pode ser quantificada. Esta metodologia fornece a medição mais direta da ação dos canais iônicos. [67]

Por espectroscopia de absorção Editar

A espectroscopia de absorção atômica com chama (AAS) determina o conteúdo total de magnésio de uma amostra biológica. [62] Este método é destrutivo, as amostras biológicas devem ser quebradas em ácidos concentrados para evitar entupir o aparelho de nebulização fina. Além disso, a única limitação é que as amostras devem estar em um volume de aproximadamente 2 mL e em uma faixa de concentração de 0,1 - 0,4 μmol / L para uma precisão ideal. Como esta técnica não consegue distinguir entre o Mg 2+ já presente na célula e aquele absorvido durante o experimento, apenas o conteúdo não absorvido pode ser quantificado.

Plasma indutivamente acoplado (ICP) usando as modificações de espectrometria de massa (MS) ou espectroscopia de emissão atômica (AES) também permite a determinação do conteúdo total de íons de amostras biológicas. [68] Essas técnicas são mais sensíveis do que o AAS de chama e são capazes de medir as quantidades de vários íons simultaneamente. No entanto, eles também são significativamente mais caros.

As propriedades químicas e bioquímicas do Mg 2+ apresentam ao sistema celular um desafio significativo ao transportar o íon através das membranas biológicas. O dogma do transporte de íons afirma que o transportador reconhece o íon e então remove progressivamente a água de hidratação, removendo a maior parte ou toda a água em um poro seletivo antes de liberar o íon do outro lado da membrana. [69] Devido às propriedades do Mg 2+, grande mudança de volume de íon hidratado para puro, alta energia de hidratação e taxa muito baixa de troca de ligante na esfera de coordenação interna, essas etapas são provavelmente mais difíceis do que para a maioria dos outros íons. Até o momento, apenas a proteína ZntA de Paramecium demonstrou ser um canal de Mg 2+. [70] Os mecanismos de transporte de Mg 2+ pelas proteínas restantes estão começando a ser descobertos com a primeira estrutura tridimensional de um complexo de transporte de Mg 2+ sendo resolvido em 2004. [71]

A camada de hidratação do íon Mg 2+ tem uma camada interna muito fortemente ligada de seis moléculas de água e uma segunda camada relativamente bem ligada contendo 12-14 moléculas de água (Markham et al., 2002). Assim, presume-se que o reconhecimento do íon Mg 2+ requer algum mecanismo para interagir inicialmente com a camada de hidratação do Mg 2+, seguido por um reconhecimento / ligação direta do íon à proteína. [60] Devido à força da complexação da esfera interna entre Mg 2+ e qualquer ligante, múltiplas interações simultâneas com a proteína de transporte neste nível podem retardar significativamente o íon no poro de transporte. Portanto, é possível que grande parte da água de hidratação seja retida durante o transporte, permitindo a coordenação da esfera externa mais fraca (mas ainda específica).

Apesar da dificuldade mecanística, o Mg 2+ deve ser transportado através das membranas, e um grande número de fluxos de Mg 2+ através das membranas de uma variedade de sistemas foram descritos. [72] No entanto, apenas uma pequena seleção de transportadores de Mg 2+ foi caracterizada em nível molecular.

Edição de bloqueio de canal de íon de ligante

Os íons magnésio (Mg 2+) na biologia celular costumam ser em quase todos os sentidos opostos aos íons Ca 2+, porque também são bivalentes, mas têm maior eletronegatividade e, portanto, exercem maior atração sobre as moléculas de água, impedindo a passagem pelo canal (embora o magnésio em si é menor). Assim, os íons Mg 2+ bloqueiam os canais de Ca 2+, tais como (canais NMDA) e foram mostrados para afetar os canais de junção de lacuna formando sinapses elétricas.

As seções anteriores trataram em detalhes dos aspectos químicos e bioquímicos do Mg 2+ e seu transporte através das membranas celulares. Esta seção aplicará esse conhecimento a aspectos da fisiologia de planta inteira, na tentativa de mostrar como esses processos interagem com o ambiente maior e mais complexo do organismo multicelular.

Requisitos nutricionais e interações Editar

O Mg 2+ é essencial para o crescimento da planta e está presente em plantas superiores em quantidades da ordem de 80 μmol g -1 de peso seco. [4] As quantidades de Mg 2+ variam em diferentes partes da planta e dependem do estado nutricional. Em tempos de abundância, o excesso de Mg 2+ pode ser armazenado nas células vasculares (Stelzer et al., 1990 [34] e em tempos de fome o Mg 2+ é redistribuído, em muitas plantas, das folhas mais velhas para as mais novas. [4] [73]

O Mg 2+ é absorvido pelas plantas através das raízes. As interações com outros cátions na rizosfera podem ter um efeito significativo na absorção do íon. (Kurvits e Kirkby, 1980 [74] A estrutura das paredes das células da raiz é altamente permeável à água e íons e, portanto, a absorção de íons pelas células da raiz pode ocorrem em qualquer lugar, desde os cabelos da raiz até as células localizadas quase no centro da raiz (limitadas apenas pela faixa de Cáspio). As paredes e membranas das células vegetais carregam um grande número de cargas negativas, e as interações dos cátions com essas cargas são a chave para o absorção de cátions pelas células da raiz, permitindo um efeito de concentração local. [75] O Mg 2+ se liga de maneira relativamente fraca a essas cargas e pode ser deslocado por outros cátions, impedindo a absorção e causando deficiência na planta.

Dentro das células vegetais individuais, os requisitos de Mg 2+ são basicamente os mesmos que para toda a vida celular. O Mg 2+ é usado para estabilizar as membranas, é vital para a utilização de ATP, está amplamente envolvido na bioquímica do ácido nucleico e é um cofator para muitas enzimas (incluindo o ribossomo). Além disso, Mg 2+ é o íon coordenador na molécula de clorofila. É a compartimentação intracelular de Mg 2+ em células vegetais que leva a uma complexidade adicional. Quatro compartimentos dentro da célula vegetal relataram interações com Mg 2+. Inicialmente, o Mg 2+ entrará na célula no citoplasma (por um sistema ainda não identificado), mas as concentrações de Mg 2+ livres neste compartimento são rigidamente reguladas em níveis relativamente baixos (≈2 mmol / L) e, portanto, qualquer excesso de Mg 2 + é rapidamente exportado ou armazenado no segundo compartimento intracelular, o vacúolo. [76] A necessidade de Mg 2+ na mitocôndria foi demonstrada em leveduras [77] e parece altamente provável que o mesmo se aplique às plantas. Os cloroplastos também requerem quantidades significativas de Mg 2+ interno e baixas concentrações de Mg 2+ citoplasmático. [78] [79] Além disso, parece provável que as outras organelas subcelulares (por exemplo, Golgi, retículo endoplasmático, etc.) também requerem Mg 2+.

Distribuindo íons de magnésio dentro da planta Editar

Uma vez no espaço citoplasmático das células da raiz, o Mg 2+, junto com os outros cátions, é provavelmente transportado radialmente para a estela e o tecido vascular. [80] Das células ao redor do xilema, os íons são liberados ou bombeados para o xilema e carregados pela planta. No caso do Mg 2+, que é altamente móvel tanto no xilema quanto no floema, [81] os íons serão transportados para o topo da planta e de volta para baixo em um ciclo contínuo de reposição. Portanto, a captação e a liberação das células vasculares são provavelmente uma parte importante da homeostase do Mg 2+ em toda a planta. A Figura 1 mostra como poucos processos foram conectados aos seus mecanismos moleculares (apenas a captação vacuolar foi associada a uma proteína de transporte, AtMHX).

O diagrama mostra um esquema de uma planta e os processos putativos de transporte de Mg 2+ na raiz e na folha, onde o Mg 2+ é carregado e descarregado dos tecidos vasculares. [4] O Mg 2+ é absorvido pelo espaço da parede celular da raiz (1) e interage com as cargas negativas associadas às paredes e membranas celulares. O Mg 2+ pode ser absorvido pelas células imediatamente (via simplástica) ou pode viajar até a faixa de Cáspio (4) antes de ser absorvido pelas células (via apoplástica 2). A concentração de Mg 2+ nas células da raiz é provavelmente tamponada pelo armazenamento em vacúolos das células da raiz (3). Observe que as células na ponta da raiz não contêm vacúolos. Uma vez no citoplasma da célula da raiz, o Mg 2+ viaja em direção ao centro da raiz pelos plasmodesmos, onde é carregado no xilema (5) para transporte para as partes superiores da planta. Quando o Mg 2+ atinge as folhas, é descarregado do xilema para as células (6) e novamente é tamponado em vacúolos (7). Não se sabe se o ciclo de Mg 2+ no floema ocorre por meio de células gerais na folha (8) ou diretamente do xilema para o floema por meio de células de transferência (9). O Mg 2+ pode retornar às raízes na seiva do floema.

Quando um íon Mg 2+ é absorvido por uma célula que o necessita para processos metabólicos, geralmente assume-se que o íon permanece naquela célula enquanto a célula estiver ativa. [4] Em células vasculares, nem sempre é o caso em tempos de abundância, o Mg 2+ é armazenado no vacúolo, não participa dos processos metabólicos diários da célula (Stelzer et al., 1990), e é liberado quando necessário. Mas, para a maioria das células, é a morte por senescência ou lesão que libera Mg 2+ e muitos dos outros constituintes iônicos, reciclando-os em partes saudáveis ​​da planta. Além disso, quando o Mg 2+ no ambiente é limitante, algumas espécies são capazes de mobilizar o Mg 2+ de tecidos mais antigos. [73] Esses processos envolvem a liberação de Mg 2+ de seus estados ligado e armazenado e seu transporte de volta para o tecido vascular, onde pode ser distribuído para o resto da planta. Em tempos de crescimento e desenvolvimento, o Mg 2+ também é remobilizado dentro da planta à medida que as relações entre a fonte e o sumidouro mudam. [4]

A homeostase do Mg 2+ dentro das células vegetais individuais é mantida por processos que ocorrem na membrana plasmática e na membrana do vacúolo (ver Figura 2). A principal força motriz para a translocação de íons nas células vegetais é ΔpH. [82] H + -ATPases bombeiam íons H + contra seu gradiente de concentração para manter o diferencial de pH que pode ser usado para o transporte de outros íons e moléculas. Os íons H + são bombeados para fora do citoplasma para o espaço extracelular ou para o vacúolo. A entrada de Mg 2+ nas células pode ocorrer por meio de uma de duas vias, via canais usando o ΔΨ (negativo no interior) através desta membrana ou por simporte com íons H +. Para transportar o íon Mg 2+ para o vacúolo, é necessário um transportador antiporta Mg 2+ / H + (como AtMHX). As H + -ATPases são dependentes do Mg 2+ (ligado ao ATP) para atividade, de modo que o Mg 2+ é necessário para manter sua própria homeostase.

Um esquema de uma célula vegetal é mostrado incluindo os quatro compartimentos principais atualmente reconhecidos como interagindo com Mg 2+. As H + -ATPases mantêm um ΔpH constante através da membrana plasmática e da membrana do vacúolo. Mg 2+ é transportado para o vacúolo usando a energia de ΔpH (em A. thaliana por AtMHX). O transporte de Mg 2+ para as células pode usar tanto o ΔΨ negativo quanto o ΔpH. O transporte de Mg 2+ para a mitocôndria provavelmente usa ΔΨ como nas mitocôndrias de levedura, e é provável que os cloroplastos recebam Mg 2+ por um sistema semelhante. O mecanismo e a base molecular para a liberação de Mg 2+ dos vacúolos e da célula não são conhecidos. Da mesma forma, as mudanças na concentração de Mg 2+ reguladas por luz nos cloroplastos não são totalmente compreendidas, mas requerem o transporte de íons H + através da membrana tilacóide.

Magnésio, cloroplastos e fotossíntese Editar

O Mg 2+ é o íon metálico coordenador na molécula da clorofila e, nas plantas onde o íon está em grande quantidade, cerca de 6% do Mg 2+ total está ligado à clorofila. [4] [83] [84] O empilhamento de tilacóide é estabilizado por Mg 2+ e é importante para a eficiência da fotossíntese, permitindo que ocorram transições de fase. [85]

O Mg 2+ é provavelmente absorvido pelos cloroplastos em maior extensão durante o desenvolvimento induzido pela luz de proplastídeo para cloroplasto ou etioplasto para cloroplasto. Nessas ocasiões, a síntese da clorofila e a biogênese das pilhas da membrana tilacóide requerem absolutamente o cátion divalente. [86] [87]

Se o Mg 2+ é capaz de entrar e sair dos cloroplastos após esta fase inicial de desenvolvimento tem sido o assunto de vários relatórios conflitantes. Deshaies et al. (1984) descobriram que o Mg 2+ se movia para dentro e para fora dos cloroplastos isolados de plantas jovens de ervilha, [88] mas Gupta e Berkowitz (1989) foram incapazes de reproduzir o resultado usando cloroplastos de espinafre mais velhos. [89] Deshaies et al. afirmaram em seu artigo que os cloroplastos de ervilha mais antigos mostraram mudanças menos significativas no conteúdo de Mg 2+ do que aqueles usados ​​para formar suas conclusões. A proporção relativa de cloroplastos imaturos presentes nas preparações pode explicar essas observações.

O estado metabólico do cloroplasto muda consideravelmente entre a noite e o dia. Durante o dia, o cloroplasto coleta ativamente a energia da luz e a converte em energia química. A ativação das vias metabólicas envolvidas vem das mudanças na natureza química do estroma com a adição de luz. O H + é bombeado para fora do estroma (tanto no citoplasma quanto no lúmen) levando a um pH alcalino. [90] [91] Mg 2+ (junto com K +) é liberado do lúmen para o estroma, em um processo de eletroneutralização para equilibrar o fluxo de H +. [92] [93] [94] [95] Finalmente, os grupos tiol nas enzimas são reduzidos por uma mudança no estado redox do estroma. [96] Exemplos de enzimas ativadas em resposta a essas mudanças são frutose 1,6-bisfosfatase, sedoheptulose bifosfatase e ribulose-1,5-bisfosfato carboxilase. [4] [53] [96] Durante o período escuro, se essas enzimas estivessem ativas, ocorreria uma ciclagem desnecessária de produtos e substratos.

Duas classes principais de enzimas que interagem com Mg 2+ no estroma durante a fase de luz podem ser identificadas. [53] Em primeiro lugar, as enzimas na via glicolítica mais frequentemente interagem com dois átomos de Mg 2+. O primeiro átomo atua como modulador alostérico da atividade das enzimas, enquanto o segundo faz parte do sítio ativo e está diretamente envolvido na reação catalítica. A segunda classe de enzimas inclui aquelas em que o Mg 2+ é complexado aos nucleotídeos di- e trifosfatos (ADP e ATP), e a mudança química envolve a transferência de fosforil. Mg 2+ também pode servir em um papel de manutenção estrutural nessas enzimas (por exemplo, enolase).

Tensão de magnésio Editar

As respostas ao estresse das plantas podem ser observadas em plantas com suprimento insuficiente ou excessivo de Mg 2+. Os primeiros sinais observáveis ​​de estresse de Mg 2+ em plantas, tanto por inanição quanto por toxicidade, é uma depressão da taxa de fotossíntese, presumida por causa das fortes relações entre Mg 2+ e cloroplastos / clorofila. Nos pinheiros, antes mesmo do aparecimento visível de manchas amareladas e necróticas, a eficiência fotossintética das agulhas diminui acentuadamente. [73] Na deficiência de Mg 2+, os efeitos secundários relatados incluem imobilidade de carboidratos, perda da transcrição do RNA e perda da síntese protéica. [97] No entanto, devido à mobilidade do Mg 2+ dentro da planta, o fenótipo de deficiência pode estar presente apenas nas partes mais velhas da planta. Por exemplo, em Pinus radiata com fome de Mg 2+, um dos primeiros sinais de identificação é a clorose nas agulhas nos galhos mais baixos da árvore. Isso ocorre porque o Mg 2+ foi recuperado desses tecidos e movido para as agulhas em crescimento (verdes) mais altas na árvore. [73]

Um déficit de Mg 2+ pode ser causado pela falta do íon no meio (solo), mas é mais comumente causado pela inibição de sua absorção. [4] O Mg 2+ se liga fracamente aos grupos carregados negativamente nas paredes das células da raiz, de modo que os excessos de outros cátions, como K +, NH4 +, Ca 2+ e Mn 2+ podem impedir a absorção. (Kurvits e Kirkby, 1980 [74] Em solos ácidos, o Al 3+ é um inibidor particularmente forte da absorção de Mg 2+. [98] [99] A inibição por Al 3+ e Mn 2+ é mais grave do que pode ser explicado pelo simples deslocamento, portanto, é possível que esses íons se liguem diretamente ao sistema de captação de Mg 2+. [4] Em bactérias e leveduras, essa ligação por Mn 2+ tem já foram observados. As respostas ao estresse na planta se desenvolvem à medida que os processos celulares são interrompidos devido à falta de Mg 2+ (por exemplo, manutenção de ΔpH através do plasma e das membranas de vacúolo). Em plantas com fome de Mg 2+ sob condições de pouca luz, a porcentagem de O Mg 2+ ligado à clorofila foi registrado em 50%. [100] Presumivelmente, esse desequilíbrio tem efeitos prejudiciais em outros processos celulares.

O estresse de toxicidade de Mg 2+ é mais difícil de desenvolver. Quando o Mg 2+ é abundante, em geral as plantas absorvem o íon e o armazenam (Stelzer et al., 1990). No entanto, se isso for seguido por seca, as concentrações iônicas dentro da célula podem aumentar dramaticamente. Altas concentrações citoplasmáticas de Mg 2+ bloqueiam um canal de K + na membrana do envelope interno do cloroplasto, por sua vez inibindo a remoção de íons H + do estroma do cloroplasto. Isso leva a uma acidificação do estroma que inativa enzimas-chave na fixação de carbono, o que leva à produção de radicais livres de oxigênio no cloroplasto que, então, causam dano oxidativo. [101]


Resultados

A microscopia de fluorescência em escala de tempo de célula única permite estudos dinâmicos da via Snf1-Mig1

Um alto controle do ambiente celular é necessário para estudar as respostas dos nutrientes em células individuais. Um dispositivo de microfluídica permite uma troca rápida e precisa entre diferentes meios e permite que a composição de nutrientes no meio seja mantida constante. Aqui, usamos uma configuração de microfluídica de três canais de entrada [25], para alcançar um alto controle do ambiente celular e para estudar a influência da concentração de glicose em Saccharomyces cerevisiae. Após a desativação do Snf1, o Mig1 é desfosforilado e, subsequentemente, move-se para o núcleo e é, portanto, um marcador adequado para a atividade do Snf1 em tempo real [26, 27]. O transporte nucleo-citosólico do fator de transcrição Mig1 fundido a uma proteína fluorescente verde (GFP) serviu como leitura de célula única (arquivo adicional 1: Figura S1).

No tipo selvagem (WT) Mig1 localizado no núcleo após ser exposto a uma concentração de glicose de 2,75 mM (Fig. 1a e arquivo adicional 2: Figura S2a). Foi demonstrado que Mig1 é fosforilado nesta faixa de concentração de glicose [28]. Após mudanças para concentrações mais altas de glicose, mais células respondem ao aumento e a intensidade de fluorescência Mig1 no núcleo é mais forte, indicando que concentrações mais altas de glicose resultam em uma proporção maior de moléculas Mig1 no núcleo (Fig. 1a). O sistema Snf1-Mig1 responde à exposição à glicose e o grau de resposta é sensível ao nível absoluto de glicose ao qual a célula é exposta. Esses resultados são consistentes com os de um estudo semelhante em Saccharomyces cerevisiae com um fundo genético diferente [12]. A resposta ao aumento das concentrações de glicose ocorre rapidamente após o upshift, apontando para a rápida adaptação das células aos nutrientes do meio ambiente.

Localização de Mig1 ao longo do tempo expressa como intensidade de fluorescência nuclear dividida pela intensidade de fluorescência citosólica. Cada gráfico representa os resultados de um experimento. O eixo y é distribuído logaritmicamente. Cada linha cinza representa o traço de uma única célula e a média de todas as células é representada com um linha Azul. Entre 22 a 41 células foram analisadas em cada experimento. As diferentes cepas são exibidas verticalmente (tipo selvagem (WT) (uma), HXT1 (b), HXT7 (c)) e as diferentes concentrações são exibidas horizontalmente

A captação de glicose apenas por meio de transportadores de baixa afinidade resulta em uma forte resposta na via Snf1-Mig1

Os dados obtidos da cepa do tipo selvagem levantaram a questão se o fluxo glicolítico se correlaciona diretamente com a atividade da via Snf1-Mig1. Isso implicaria que a via Snf1-Mig1 é controlada pelo metabolismo da glicose por um sistema de sensor quantitativo. Para responder a esta questão, optamos por controlar o fluxo através da glicólise por meio da captação de glicose na célula. Um grande conjunto de cepas isogênicas expressando apenas um único transportador de hexose está disponível [29]. Empregamos cepas que expressam um transportador de glicose de baixa afinidade ou alta afinidade, respectivamente, sob o controle do promotor de um transportador de alta afinidade.

Hxt1 é um transportador de baixa afinidade que normalmente é altamente expresso sob condições de alta glicose, células de levedura expressando apenas HXT1 exibe uma alta capacidade de transporte de glicose e uma maior V max em seguida, a cepa de tipo selvagem [28, 29]. As células HXT1 já exibem acumulação nuclear Mig1 quando foram expostas a um aumento de 0 a 2,75 mM de glicose como no WT, porém a fração de toda a população exibindo localização nuclear nunca excede 50%. enquanto para um aumento de 11 mM de glicose, uma fração mais alta de células exibe acúmulo nuclear, mas esse acúmulo nuclear nunca excede 80% (arquivo adicional 3: Figura S3a). Enquanto no WT, tanto para upshift para 2,75 mM e 11 mM, mais de 80% da população apresenta acumulação nuclear. Para a outra mudança para uma concentração de glicose mais alta, quase todas as células exibem localização nuclear. A cepa HXT1 exibiu uma grande variabilidade de célula a célula de células respondendo ou não respondendo a upshifts de 2,75 mM, 11 mM e 27,5 mM na concentração de glicose em comparação com as células WT (Fig. 1b). Somente após um aumento para 27,5 mM de glicose, quase todas as células da população mostram a localização de Mig1 no núcleo. Em concentrações mais altas de glicose, glicose 55 mM ou 220 mM, uma proporção maior de Mig1 está localizada no núcleo do que em concentrações mais baixas. Os upshifts para 55 mM e 220 mM resultam em um maior acúmulo nuclear Mig1 em comparação com o WT e exibe uma variabilidade celular mais alta em comparação com as outras cepas (Fig. 1b e arquivo adicional 3: Figura S3b). Os tempos de resposta do acúmulo nuclear Mig1 parecem ser notavelmente semelhantes para todas as células respondentes em todas as concentrações de glicose, após 1 min, o máximo é atingido para a fração de células que exibem a localização nuclear Mig1 de todas as cepas e todas as condições de upshift (arquivo adicional 3: Figura S3a). No geral, os dados mostram que as características de resposta do sistema Snf1-Mig1 se correlacionam bem com as características cinéticas do transportador Hxt1, uma vez que a cepa Snf1-Mig1 exibe baixa resposta em uma mudança ascendente para baixa concentração de glicose, mas uma forte resposta à mudança ascendente para glicose alta concentrações.

O transportador de alta afinidade causa uma resposta Mig1 fraca a todos os aumentos de concentração de glicose

O transportador de alta afinidade Hxt7 é altamente expresso em concentrações de glicose muito baixas. A cepa HXT7 exibe uma capacidade de captação de glicose mais baixa do que a cepa HXT1. Portanto, a capacidade de captação de glicose é saturada em baixas concentrações de glicose [28]. A maioria da população mostra a localização nuclear Mig1 após as células serem expostas a meios de crescimento contendo glicose, em contraste com a baixa fração de respondentes na cepa HXT1 (Fig. 1c e arquivo adicional 2: Figura S2c). No entanto, ao contrário da cepa WT e HXT1, a resposta é muito semelhante para todas as concentrações de glicose, e a intensidade de Mig1 no núcleo é a mesma para todos os upshifts. Já em um aumento de 0 para 2,75 mM de glicose, Mig1 atingiu uma localização nuclear Mig1 máxima para a cepa HXT7. Portanto, mesmo na cepa HXT7, a característica de resposta Snf1-Mig1 corresponde às propriedades do sistema de transporte com alta afinidade, mas baixa capacidade.

Nem a degradação regulada nem o tamanho da célula são os principais contribuintes para a heterogeneidade celular

A variabilidade célula a célula na localização Mig1 após alteração da concentração de glicose foi relatada [12, 13, 30]. Esses estudos, entretanto, não examinam a (s) fonte (s) da variabilidade célula a célula observada, portanto, partimos para explorar a (s) fonte (s) da variação. Sabe-se que os transportadores de alta afinidade Hxt7 e Hxt6 são internalizados e degradados quando as células são expostas a altas concentrações de glicose [31]. A degradação de Hxt7 requer a inativação de TORC1 [32, 33]. Além disso, Hxt1 é ativamente internalizado e degradado se a glicose estiver esgotada, um efeito possivelmente mediado pela regulação negativa de PKA [34]. A internalização dos transportadores de hexose para degradação catabólica pode levar a uma diminuição da importação de glicose. Observamos nos experimentos de upshift para concentrações mais altas de glicose uma ligeira diminuição da mediana depois que a localização nuclear atingiu seu valor máximo para todas as cepas (arquivo adicional 2: Figura S2). Portanto, concluímos que os ajustes rápidos da atividade dos transportadores de hexose poderiam impactar a via Mig1-Snf1. Uma vez que esta queda na localização nuclear Mig1 difere entre as células, este mecanismo pode ser um fator que contribui para a variabilidade célula a célula observada. Expusemos células de levedura que expressam Hxt7-GFP sob o promotor nativo cultivado em etanol 3% para glicose 220 mM e seguimos a localização de Hxt7-GFP por 15 min (Fig. 2a, Arquivo adicional 4: Figura S4). Os dados foram quantificados medindo a intensidade da fluorescência ao longo de uma interseção através da célula. Não observamos nenhuma mudança significativa na localização de Hxt7-GFP durante o experimento (Fig. 2b).

Estudo da variabilidade célula a célula observada no sistema Snf1 / Mig1. (uma)(b) Hxt7-GFP antes e após uma mudança de meio de etanol para meio contendo glicose 220 mM. (uma) Imagens microscópicas de lapso de tempo, superior imagens mostram HXT7-GFP, o diminuir as imagens mostram campo claro. (b) Intensidade de fluorescência ao longo de uma interseção através das células de levedura. A intensidade da fluorescência é maior nos pontos linha de intersecção atravessa a membrana celular e não muda com o tempo. O resultado de apenas uma célula é exibido, mas várias células foram analisadas e nenhuma das células mostrou uma diminuição na localização da membrana do transportador Hxt7 após 15 minutos após a mudança para o meio de glicose. (c) A proporção 15 min após o aumento da glicose traçada sobre o tamanho da célula para a cepa HXT1. O tamanho da célula é plotado nos eixos x. Como uma medida para a resposta da via Mig1-Snf1, escolhemos a razão nuclear / citosólica Mig1. Muda para uma concentração de glicose mais alta de 0 a 220 mM (diamantes azuis), 0 a 55 mM (quadrados vermelhos) e glicose de 0 a 27,5 mM (triângulo verde) resultam em uma proporção final mais alta enquanto sobe para uma concentração de glicose mais baixa de 0 a 11 mM de glicose (cruzes roxas), 0 a 2,75 mM (estrelas azuis) e glicose de 0 a 0 mM (pontos laranja) exibem uma proporção final inferior. (d) Hxt7-GFP pré-cultivado durante a noite em meio de etanol a 3%. Superior imagem mostra a imagem do campo claro, diminuir imagem mostra a distribuição celular de Hxt7-GFP

Em seguida, perguntamos se o tamanho da célula poderia influenciar a variabilidade célula a célula. Flutuações nos estados celulares, como o tamanho da célula, podem causar ruído extrínseco que pode levar à variabilidade célula a célula observada [35]. Portanto, decidimos testar a influência do tamanho da célula traçando a resposta da via Snf1-Mig1 sobre o tamanho da célula. Como medida para a via Snf1-Mig1, usamos a razão de intensidade de fluorescência Mig1 15 min após o upshift. A razão final para a cepa HXT1 não mostrou qualquer correlação entre o tamanho da célula e a atividade da via Snf1-Mig1 (Fig. 2c). Em vez disso, a proporção final mostrou uma distribuição uniforme em torno do tamanho médio da célula com os valores das mudanças para cima em direção a uma posição de concentração de glicose mais alta ao longo dos eixos y. Este resultado exclui o tamanho da célula como um determinante principal para a variabilidade célula a célula no período de tempo relativamente curto dos experimentos.

A expressão estocástica é uma causa plausível de variabilidade célula a célula no sistema Mig1-Snf1

A variabilidade célula a célula nas respostas de adaptação dinâmica pode ser causada, entre outros, pela atividade de transcrição estocástica [36]. Portanto, raciocinamos que o padrão de expressão dos transportadores de hexose poderia levar à variabilidade célula a célula. Portanto, cultivamos uma cepa que expressa Hxt7-GFP em etanol a 3% e seguimos a distribuição da população de Hxt7-GFP. A intensidade de fluorescência de Hxt7-GFP diferiu significativamente entre as células (Fig. 2d). A menor intensidade de fluorescência observada de Hxt7-GFP foi de apenas 10% da intensidade de fluorescência máxima observada de Hxt7-GFP. A quantidade de moléculas transportadoras Hxt7 dentro de cada célula varia e pode, portanto, ser um contribuinte importante para a variabilidade célula a célula observada. Estes resultados mostram que, em nossas condições experimentais, é provável que a expressão e tradução de transportadores de hexose seja um dos principais contribuintes para a variabilidade célula a célula observada.

Um modelo de efeito misto sugere desfosforilação Mig1 como uma nova etapa regulatória

Para entender melhor o efeito do aumento de glicose na via Snf1-Mig1, desenvolvemos um modelo matemático de fluxo de glicose que controla a fosforilação de Snf1 e, consequentemente, a localização de Mig1 (Fig. 3a). O objetivo foi investigar se a captação de glicose era capaz de regular a localização do Mig1, controlando apenas uma etapa do sistema regulatório Snf1-Mig1. Assumimos que esta etapa seja a desfosforilação de Snf1, uma vez que várias publicações identificaram esta etapa como sendo controlada pela razão ADP / ATP [37,38,39,40]. A razão ADP / ATP é determinada indiretamente pela captação de glicose e glicólise, portanto, a ligação do ADP ao complexo SNF1 poderia ser a conexão entre a glicólise e o sistema Snf1-Mig1. A modelagem NLME foi implementada a fim de simular a dinâmica da localização do Mig1 para diferentes cepas de levedura em várias condições experimentais (arquivo adicional 5: Figura S5). O modelo captura as características de nossos dados experimentais (Fig. 1). Simulando parâmetros para várias células, podemos produzir uma distribuição dos parâmetros e comparamos essa distribuição entre as cepas do tipo selvagem, HXT1 e HXT7 (arquivo adicional 6: Figura S6). O modelo prevê que o Vmsi, o parâmetro para desfosforilação Snf1, aumenta com upshifts para aumentar as concentrações de glicose (arquivo adicional 6: Figura S6a). No entanto, não há diferença significativa entre as diferentes cepas. O modelo sugere que a desfosforilação Snf1 seja ativa imediatamente após a glicose ser importada para a célula, mas este processo não é influenciado nem pela concentração de glicose nem pela cepa em que foi simulada. Isso sugere que a desfosforilação Snf1 é regulada mais de uma forma on / off do que do que de forma dinâmica. No entanto, o parâmetro para desfosforilação Mig1, Vmd, exibiu as características da cepa diferente (Arquivo adicional 6: Figura S6b). No upshift de baixa glicose, os parâmetros Vmd simulados da cepa HXT7 foram maiores do que os parâmetros HXT1. Apenas nas concentrações de upshift mais altas, os parâmetros Vmd simulados para a cepa HXT1 foram muito maiores do que os parâmetros Vmd simulados para a cepa HXT7. A partir disso, o modelo sugeriu a desfosforilação Mig1 como uma etapa regulatória que é controlada pelo fluxo de glicose.

Modelagem dinâmica e NLME da via Snf1 / Mig1. uma Representação esquemática do modelo. O modelo consiste em três partes principais, a saber, a atividade da glicose, a atividade do Snf1 e a atividade do Mig1. b Simulação da distribuição dos parâmetros aleatórios para a cepa HXT1. As colunas indicam a concentração de glicose extracelular, variando de 0, 11, 55 a 220 mM, que são ilustradas a partir do deixou ao direito na figura. Cada mapa de calor é gerado desenhando 50 termos aleatórios de efeito misto, ou seja ηN(0, σ), correspondendo aos vetores de parâmetro das distribuições de parâmetro geradas para as várias cepas e concentrações de glicose. O mapa de calor exibe vários parâmetros no eixo y, os indivíduos no eixo x e a magnitude dos termos aleatórios são indicados pela escala de cores mostrada acima da figura. A escala de cores varia de 0 a 2, onde um vermelho cor corresponde a um termo aleatório alto e um azul a cor corresponde a um valor baixo do termo aleatório. Os campos brancos correspondem aos parâmetros conectados aos transportadores de hexose que não estão ativos nas cepas HXT1

Um modelo de efeito misto identifica fontes hipotéticas de variabilidade no módulo regulatório Snf1-Mig1

Uma vez que nosso modelo leva em conta a variabilidade célula a célula, poderíamos usá-lo para identificar quais parâmetros exibem a maior variabilidade célula a célula e sob quais condições. A cepa de tipo selvagem exibiu variação crescente com aumento para as concentrações de glicose mais altas de 55 mM e 220 mM (Arquivo adicional 7: Figura S7). A maior variabilidade foi observada na cepa HXT1 com o upshift para as concentrações de glicose mais altas (Fig. 3 e Arquivo adicional 7: Figura S7). A cepa do transportador HXT1 exibiu uma grande variabilidade célula a célula após a mudança para alta glicose, mas uma pequena variabilidade célula a célula após a mudança para cima para baixa glicose. A variância simulada da cepa HXT7 foi menor em comparação com as cepas de tipo selvagem e HXT1 e não aumentou com a mudança para níveis de glicose mais altos (Arquivo adicional 7: Figura S7). A variância simulada está em correlação com a variância observada vista nos dados experimentais (arquivo adicional 3: Figura S3b). O modelo também nos permite prever os parâmetros mais importantes que são os principais contribuintes para a variabilidade célula a célula. Comparamos a magnitude da perturbação de cada parâmetro para a simulação da cepa do tipo selvagem no upshift de 0 a 220 mM de glicose (arquivo adicional 8: Tabela S1). Um parâmetro que exibe um maior erro de perturbação tem uma maior variabilidade nesse parâmetro. Os parâmetros envolvidos em eventos de desfosforilação foram classificados como de baixa significância (arquivo adicional 8: Tabela S1), sugerindo que a desfosforilação de Mig1 e Snf1 após o aumento da glicose é um contribuinte menor para a variabilidade célula a célula observada. Os parâmetros que exibem a maior variação são Kex2 e Kim2, que respondem pelo transporte de Mig1 para dentro e para fora do núcleo. Os respectivos erros de perturbação para esses dois parâmetros são da ordem de 10 −3, enquanto os outros parâmetros têm erros de perturbação da ordem de 10 −7 e menores. Na verdade, foi demonstrado que o movimento do Mig1 para dentro e para fora do núcleo mostra uma variabilidade considerável entre as células [12]. Esses dados sugerem que a variabilidade no transporte nucleocitoplasmático de Mig1 seria o principal contribuinte para a variabilidade célula a célula e não os eventos de desfosforilação após aumentos de glicose.


Biologia do transporte de glicose na glândula mamária

A glicose é o principal precursor da lactose, que é sintetizada nas vesículas de Golgi das células epiteliais alveolares secretoras mamárias durante a lactação. A glicose é captada pelas células epiteliais mamárias por meio de um processo passivo e facilitador, que é impulsionado pelo gradiente descendente de concentração de glicose através da membrana plasmática. Este processo é mediado por transportadores facilitadores de glicose (GLUTs), dos quais existem 14 isoformas conhecidas. As glândulas mamárias expressam principalmente GLUT1 e GLUT8, e GLUT1 é a isoforma predominante com um K m do

10 mM e atividade de transporte para manose e galactose além de glicose. A atividade de transporte de glicose mamária aumenta dramaticamente do estado virgem para o estado de lactação, com um aumento concomitante na expressão de GLUT. O aumento da expressão de GLUT durante a lactogênese não é estimulado pelos hormônios lactogênicos aceitos. Novas evidências indicam que uma possível baixa tensão de oxigênio resultante do aumento da taxa metabólica e do consumo de oxigênio pode desempenhar um papel importante na estimulação da captação de glicose e da expressão de GLUT1 em células epiteliais mamárias durante a lactogênese. Além de sua presença primária na membrana plasmática, o GLUT1 também é expresso na membrana de Golgi das células epiteliais mamárias e provavelmente está envolvido na facilitação da captação de glicose e galactose para o local da síntese de lactose. Como a síntese de lactose dita o volume do leite, a regulação da expressão e do tráfico de GLUT representam áreas potencialmente frutíferas para pesquisas futuras na produção de laticínios. Além disso, esta pesquisa terá implicações patológicas para o tratamento do câncer de mama porque a captação de glicose e a expressão de GLUT são reguladas positivamente nas células do câncer de mama para acomodar a necessidade aumentada de glicose.

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Assista o vídeo: Princípios de Sinalização Celular - Conceito e Tipos - Parte 1 (Agosto 2022).