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Transporte intracelular de lipídios

Transporte intracelular de lipídios


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Eu sei que os lipídios são transportados pelo corpo no sangue como micelas ou por proteínas de ligação a lipídios que permitem que sejam dissolvidos.

Os lipídios nem sempre podem ser integrados em uma membrana, porém, os fosfolipídios usados ​​nas membranas precisam ser sintetizados em algum lugar a partir de um precursor que também será hidrofóbico.

Consequentemente, em algum ponto terá que haver transporte de lipídios dentro da célula, onde os lipídios precisarão estar em solução. Como isso é facilitado?


Como no sangue, o tráfego intracelular de lipídios é facilitado pelo transporte vesicular e transportadores de lipídios, como proteínas de ligação de ácidos graxos. Além disso, as membranas intracelulares são densamente compactadas e podem trocar lipídios por colisão e hemifusão transitória. Se você tiver acesso ao Cell, uma boa análise é de Prinz W. 2010 Lipid Trafficking sans vesicles, Where, Why, How?


Lipídio

Um lipídio é um composto graxo, oleoso ou semelhante a cera que é insolúvel em água (hidrofóbico). É uma combinação de glicerol e ácidos graxos. Quando misturados em uma solução aquosa, os lipídios se dispersam em pequenas gotículas para produzir uma emulsão. Os lipídios são divididos em oito categorias: glicerolipídios, glicerofosfolipídios, esfingolipídios, acilos graxos, lipídios de esterol, lipídios de prenol, sacarolipídios e policetídeos. Um lipídio tem múltiplas funções no corpo humano, desde a construção da membrana celular até o armazenamento de energia.


Modelagem Matemática e Análise de Vias de Sinalização Intracelular

Paul D. Smolen,. John H. Byrne, em From Molecules to Networks, 2004

A difusão passiva domina os íons e pequenas moléculas

O transporte intracelular de íons e pequenas moléculas é geralmente difusivo. Portanto, a modelagem do transporte difusivo - devido ao movimento causado por colisões térmicas aleatórias com outras moléculas - é discutida com alguns detalhes. A difusão passiva de macromoléculas pode ser modelada pelas mesmas equações das moléculas pequenas, mas com coeficientes de difusão muito menores. Modelos de “eletrodifusão” mais detalhados são usados ​​para considerar o movimento de moléculas carregadas devido aos gradientes de potencial elétrico dentro dos neurônios.

A discussão se concentra em técnicas para modelar a difusão de um íon específico, Ca 2+. O movimento intracelular de Ca 2+ foi extensivamente estudado experimentalmente e modelado de várias maneiras. As mesmas equações e as mesmas técnicas para simulações numéricas podem ser aplicadas à difusão de outras pequenas moléculas e íons. O coeficiente de difusão deve ser corrigido para diferenças no peso molecular. Para difusão livre em solução aquosa, o coeficiente de difusão é inversamente proporcional à raiz cúbica do peso molecular. No entanto, difusão na Vivo não é livre, porque o tamponamento ou a ligação de pequenas moléculas ou íons a locais nas macromoléculas é comum em todo o citoplasma. O tamponamento geralmente diminui os coeficientes de difusão abaixo dos valores em solução aquosa.


Destino dos quilomícrons

Os TAGs transportados pelos quilomícrons são hidrolisados ​​pela lipase lipoproteica (LPL), uma enzima presente nas células endoteliais que revestem as paredes capilares. ApoCII no quilomicron irá interagir com LPL e ativar a enzima. A insulina estimula a síntese e a secreção de LPL de modo que, após uma refeição, quando os níveis de triglicerídeos aumentam na circulação, a LPL é regulada positivamente (através da liberação de insulina) para facilitar a hidrólise dos ácidos graxos dos triglicerídeos.

Portanto, a LPL adiposa é mais ativa após uma refeição, quando os níveis de quilomícrons estão elevados no sangue. Os ácidos graxos liberados dos TAGs pela LPL são eventualmente reembalados no tecido adiposo e armazenados como TAGs no tecido.

A porção de um quilomicron que permanece no sangue após a ação da LPL é conhecida como remanescente de quilomicron. O remanescente retornou (ou perdeu) muitas das moléculas apoC ligadas ao quilomicron maduro, expondo a apoE. O remanescente remanescente liga-se aos receptores apoE nos hepatócitos e é absorvido pelo processo de endocitose. Os lisossomos se fundem com as vesículas endocíticas e os quilomícrons remanescentes são degradados por enzimas lisossomais. Os produtos liberados por meio desse processo de degradação (por exemplo, aminoácidos, ácidos graxos, colesterol, etc.) podem ser reciclados dentro da célula.


Como o colesterol interage com proteínas e lipídios durante seu transporte intracelular

Os esteróis, como o colesterol nas células de mamíferos e o ergosterol nos fungos, são moléculas indispensáveis ​​para o funcionamento adequado e a organização em nanoescala da membrana plasmática. A síntese, a absorção e o efluxo do colesterol são regulados por uma variedade de interações proteína-lipídio e proteína-proteína. Da mesma forma, os lipídios da membrana e suas propriedades físico-químicas afetam diretamente a partição do colesterol e, portanto, contribuem para a distribuição intracelular altamente heterogênea do colesterol. O movimento do colesterol nas células é mediado pelo tráfego de vesículas ao longo das vias endocíticas e secretoras, bem como pela troca não vesicular de esterol entre organelas. Neste artigo, revisaremos o progresso recente na elucidação das interações esterol-lipídio e esterol-proteína que contribuem para o transporte adequado de esterol em células vivas. Descrevemos modelos biofísicos recentes de distribuição e dinâmica de colesterol em membranas e explicamos como tais modelos estão relacionados ao fluxo de esterol entre organelas. Uma visão geral de várias proteínas de transferência de esterol é fornecida, e os princípios físico-químicos de sua função no transporte de esterol não vesicular são explicados. Também discutimos abordagens experimentais selecionadas para a caracterização das interações esterol-proteína e para monitorar o transporte intracelular de esterol. Finalmente, revisamos trabalhos recentes sobre os mecanismos moleculares subjacentes à importação de colesterol mediada por lipoproteínas nas células de mamíferos e descrevemos o processo de efluxo de colesterol celular. No geral, enfatizamos como as interações proteína-lipídio e proteína-proteína específicas ajudam a superar a solubilidade extremamente baixa do colesterol em água, controlando assim o movimento do colesterol intracelular. Este artigo é parte de uma edição especial intitulada: Interações lipídicas-proteínas.

Palavras-chave: Transporte de membrana de cinética de fluorescência de difusão de colesterol.


Reconhecimentos

Sima Lev é o titular da cadeira Joyce e Ben B. Eisenberg de Biologia Molecular e Pesquisa do Câncer. Este trabalho foi financiado pela Fundação Científica de Israel, Concessão número 548/08. O autor agradece a R. Sertchook do Weizmann Institute of Science pela ajuda na coleta das imagens tridimensionais, A. Menon e O. Laufman pela discussão produtiva e, especialmente, W. Prinz pela leitura crítica deste manuscrito e sua contribuição intelectual.


Esses autores contribuíram igualmente: Louise H. Wong, Alberto T. Gatta

Afiliações

Instituto de Oftalmologia, University College London, Londres, Reino Unido

Louise H. Wong e Tim P. Levine

Divisão de Estudos do Câncer, King’s College London, Londres, Reino Unido

Crick Institute, Londres, Reino Unido

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Contribuições

Todos os autores contribuíram para a concepção, redação e revisão do manuscrito.

Autor correspondente


Transporte através da membrana celular: 4 maneiras | Biologia

O transporte através da membrana celular é classificado em quatro formas: 1. Difusão (Transporte Passivo) 2. Osmose 3. Transporte Ativo 4. Transporte Vesicular.

A membrana celular atua como uma barreira para a maioria, mas não para todas as moléculas. As membranas celulares são uma barreira semipermeável que separa o ambiente celular interno do ambiente celular externo. Como a membrana celular é composta por uma bicamada lipídica com proteínas aderidas na superfície e também passando pela membrana celular, há possibilidade de transporte através dessa membrana.

Todas as substâncias lipossolúveis podem facilmente e livremente se difundir para dentro e para fora, e. O2 e companhia2. Considerando que substâncias solúveis em água como íons, glicose e macromoléculas devem encontrar um meio especial de transporte com a ajuda de proteínas integrais e transmembranares que atuam como sítios de ligação, canais e portas para facilitar o movimento.

Modo # 1. Difusão (Transporte Passivo):

É o movimento líquido de uma substância (líquido ou gás) de uma área de concentração mais alta para uma concentração mais baixa, sem gasto de energia, denominado difusão.

A difusão pode ser dividida da seguinte forma:

A. Difusão Simples:

É ainda classificado em duas categorias:

eu. Difusão de substância lipossolúvel através da bicamada lipídica.

ii. Difusão de substância insolúvel em lipídios através dos canais de proteínas.

eu. Difusão de substância lipossolúvel através da bicamada lipídica:

Substâncias como oxigênio, dióxido de carbono e álcoois são altamente lipossolúveis e se dissolvem na camada facilmente e se difundem através da membrana. A taxa de difusão é determinada pela solubilidade da substância. Por exemplo, troca de gases nos pulmões.

ii. Difusão da substância insolúvel em lipídios através dos canais de proteína:

Isso é possível através da permeabilidade seletiva do canal de proteína ou através de canais bloqueados.

Permeabilidade seletiva do canal de proteína:

Este canal pode permitir que apenas um tipo de íon passe por ele. A seletividade se deve ao diâmetro, formato e cargas elétricas ao longo da superfície interna do canal.

O canal de sódio é um tetrâmero com poro de 0,3 a 0,5 nm de diâmetro que é seletivo para o sódio. Ele tem uma forte carga negativa na superfície interna, o que permite que o íon sódio desidratado se difunda em qualquer direção da concentração mais alta para a mais baixa.

É seletivo para potássio. O poro deste canal é menor do que o canal de sódio e não tem carga negativa. Mas a forma hidratada do íon potássio é menor em tamanho do que o sódio e, portanto, permite seletivamente a difusão do íon potássio.

Difusão através de canais de proteína bloqueados:

Uma parte ou projeção de um canal de proteína se comporta como um portão e pode abrir ou fechar em resposta a uma mudança na voltagem, ligante (químico), estímulos mecânicos como toque e estiramento são chamados de canais voltados, ligantes e mecânicos, respectivamente .

uma. Canais controlados por tensão:

Esses canais são abertos e fechados em resposta à mudança no potencial elétrico através da membrana celular.

Células excitáveis ​​como neurônios e células musculares. Quando a voltagem através da membrana muda, os canais de sódio dependentes de voltagem se abrem e permitem o fluxo de íons de sódio para dentro da célula que causa a fase de despolarização do potencial de ação e a saída de potássio através do canal de potássio controlado por voltagem provoca a repolarização. Esta é a base do potencial de ação em uma célula excitável.

b. Canal fechado de ligando (químico):

Alguns canais se abrem em resposta a uma substância química. Eles podem ser ligantes internos, onde o lado de ligação está no lado do citosol do canal. Por exemplo, segundos mensageiros. Também pode haver ligante externo que se liga a um local no lado extracelular do canal.

Neurotransmissores como acetilcolina, ácido gama-aminobutírico que transmite impulso em uma sinapse.

c. Canais com portas mecânicas:

Eles respondem ao estímulo mecânico e a deformação devido ao estímulo mecânico abre ou fecha o canal.

Receptores de pressão, quando sujeitos a, a pressão abre o canal de sódio e causa o desenvolvimento de um potencial receptor. Isso nos ajuda a sentir uma sensação de pressão.

B. Difusão Facilitada:

É também chamada de difusão mediada por portadores. Moléculas muito carregadas ou grandes que não podem passar pelos canais de proteína requerem proteína transportadora que facilita a difusão. A proteína transportadora é seletiva para aquela substância específica. Quando uma substância a ser transportada se liga a uma proteína transportadora de um lado, há uma mudança conformacional na forma da proteína que transporta a substância para o interior da célula, abrindo-se para o outro lado da membrana. Também obedece à lei da difusão (maior para menor concentração).

Transportadores de glicose (GLUT) e transportadores de aminoácidos.

Fatores que afetam a taxa líquida de difusão:

Fatores que são diretamente proporcionais à difusão:

eu. Gradiente de concentração através da membrana

ii. Gradiente elétrico e de pressão através da membrana

iii. Solubilidade da substância

v. Permeabilidade da membrana celular.

Fatores que são inversamente proporcionais à difusão:

eu. Espessura da membrana celular

Os anestésicos locais atuam diretamente nas comportas do canal de sódio, dificultando sua abertura e, portanto, reduzindo a excitabilidade da célula. O impulso falha em viajar causando anestesia.

A mutação do canal iônico é chamada de chanelopatias.

Eles afetam o músculo e o tecido cerebral principalmente:

eu. Doença do canal de sódio:

Espasmo muscular e síndrome de Liddle & # 8217s.

ii. Doença do canal de potássio:

Arritmia, convulsões em recém-nascidos e surdez hereditária.

iii. Doença do canal de cloro:

Pedras nos rins e fibrose cística.

Caminho # 2. Osmose:

Osmose é o movimento líquido ou difusão de moléculas de água através de uma membrana semipermeável de uma região de maior concentração para menor concentração de água (solvente) ou em outras palavras, movimento de água de uma região de baixa concentração de soluto (ou seja, sais e eletrólitos) para maior concentração de soluto.

Pressão osmótica:

Se uma pressão for aplicada à solução de cloreto de sódio, a osmose da água na solução é interrompida, revertida ou retardada. A pressão necessária para interromper a osmose é chamada de pressão osmótica. A pressão osmótica é determinada pelo número de partículas por unidade de volume de fluido e não pela massa da partícula.

Osmolaridade e Osmolaridade:

Uma toupeira é um grama de peso molecular da substância. Um osmole é igual ao grama de peso molecular de uma substância dividido pelo número de partículas em uma solução. Portanto, osmolaridade é o número de osmoles por litro de uma solução. Osmolalidade é o número de osmoles por kg de solvente. A substância osmoticamente ativa é dissolvida na água corporal, de modo que a osmolaridade é expressa em miliosmoles (mOsm) por litro de água.

Pressão colóide osmótica:

É a pressão exercida pelos colóides presentes na solução.

Pressão Oncótica:

A pressão osmótica colóide exercida pelas proteínas plasmáticas é conhecida como pressão oncótica.

É o usado para descrever a osmolalidade de uma solução em relação ao plasma. Se uma solução tem a mesma osmolalidade ou osmolalidade aumentada ou diminuída que o plasma, é considerada solução isotônica, hipertônica e hipotônica, respectivamente.

Qualquer solução usada para reposição de fluidos, a tonicidade da solução deve ser considerada dependendo da situação clínica.

Caminho # 3. Transporte ativo:

Quando uma substância se move através da membrana celular contra a concentração ou gradiente elétrico (para cima) com o gasto de energia, é chamado de transporte ativo. A energia é obtida a partir da quebra de compostos de alta energia como o ATP.

São classificados como transporte ativo primário e secundário de acordo com a fonte de energia utilizada. O transportador envolvido aqui também é uma proteína transportadora. Mas é diferente da difusão facilitada. Aqui, a proteína transportadora é capaz de transmitir energia à substância transportada para se mover contra o gradiente.

eu. Transporte ativo primário:

No transporte ativo primário, a energia é liberada diretamente da quebra do ATP e a proteína carreadora envolvida aqui é chamada de bomba. As enzimas que catalisam a hidrólise do ATP são chamadas de ATPases. Portanto, essas bombas são chamadas de ATPases.

Bombas de sódio e potássio ou ATPases de sódio e potássio:

Quase todas as células têm bombas de Na + K +, especialmente em todas as células excitáveis.

Tem duas subunidades, nomeadamente as subunidades α e β.

A separação da subunidade elimina a atividade, mas a função da subunidade β é desconhecida, a subunidade α tem:

uma. Três locais de receptor para ligação ao íon sódio na proteína que se projeta para o interior da célula.

b. Dois sítios receptores de íons de potássio na parte externa da célula.

c. Um local da enzima ATPase próximo ao local de ligação do sódio.

A função é bombear o excesso de Na + do fluido intracelular e atrair K + para a célula. Uma vez que existem 3 locais para Na + e 2 locais para K +, a bomba é ativada apenas quando três íons Na + e dois íons K + se fixam na superfície interna e externa da célula, respectivamente. Para cada três íons de sódio expelidos para fora da célula, dois íons de potássio são atraídos. Assim, há uma perda líquida de carga positiva (íon) para fora da célula, o que inicia a osmose de água para fora da célula, bem como impede qualquer célula de inchaço.

O mecanismo acima também cria positividade fora da célula, mas deixa um déficit de íons positivos dentro da célula. Portanto, a bomba de Na + K + é considerada eletrogênica porque cria um potencial elétrico através da membrana celular à medida que bombeia. Isso é necessário para a gênese do potencial de membrana em repouso (RMP), que é o potencial de membrana através da membrana celular em repouso.

eu. Ele controla o volume das células

ii. Mantém o potencial de membrana em repouso.

Digitalis é um medicamento usado no tratamento da insuficiência cardíaca congestiva. Inibe a bomba de potássio de sódio. Isso causa aumento no sódio da CIF. Isso diminui o efluxo de cálcio por meio do antiport de cálcio e sódio, diminuindo o influxo de sódio. Isso finalmente aumenta a concentração de cálcio nas células do miocárdio, o que aumenta a contratilidade do miocárdio.

ATPases de hidrogênio e potássio:

Glândulas gástricas do estômago e túbulos contorcidos distais do néfron.

eu. Nas células parietais das glândulas gástricas, ele transporta íons de hidrogênio. Na extremidade secretora dessas células, o hidrogênio é bombeado para o estômago junto com os íons cloreto para formar o ácido clorídrico, que é a principal composição do suco gástrico.

ii. As células intercaladas nos túbulos distais do néfron bombeiam íons de hidrogênio para a formação da urina e controlam o pH do corpo.

ii. Transporte Ativo Secundário:

Em alguns lugares, devido ao transporte ativo de Na + para fora das células pela bomba de Na + K +, um grande gradiente de concentração de sódio geralmente se desenvolve com alta concentração externa do que interna. Este gradiente armazena energia livre que é usada para transportar outras substâncias como glicose e aminoácidos e outros íons contra seu gradiente de concentração. A energia gasta não é diretamente devido à hidrólise do ATP, mas a energia armazenada devido ao transporte ativo primário.

O transporte ativo secundário é de dois tipos:

Caso contrário, é denominado symport. Aqui, o sódio e outras substâncias transportadas se movem na mesma direção.

Co-transporte de glicose de sódio no túbulo contorcido proximal do néfron - aqui a proteína carreadora sofre mudança conformacional e está pronta para o transporte apenas quando o sódio e a glicose se ligam a ela e ambos se movem na mesma direção. A energia é obtida a partir da energia armazenada devido ao transporte de sódio pela bomba de Na + K + na membrana basolateral do túbulo. Isso cria um gradiente de alta concentração de íon sódio dentro da célula tubular.Desse modo, a energia armazenada devido ao gradiente é usada para o transporte de sódio e de glicose junto com ele ao longo do lado luminal do túbulo.

É também denominado antiport. Aqui, o sódio e outras substâncias a serem transportadas se movem na direção oposta.

Antiporta sódio-cálcio nas células do miocárdio.

Caminho # 4. Transporte vesicular:

Eles são classificados como:

eu. Transporte de vesículas dentro da célula

eu. Transporte de vesículas dentro da célula:

As vesículas que ajudam no transporte de proteínas de uma organela para outra dentro da célula têm revestimentos de proteína, nomeadamente caveolina, clatrina 1, clatrina 2 e assim por diante. Esses revestimentos de proteína são específicos para o transporte para organelas específicas. Uma proteína específica na vesícula se prenderá com seu par de proteínas correspondente no alvo para que a vesícula tenha certeza de que ela se encaixará no destino correto. Em geral, as vesículas se movem ao longo dos motores dos microtúbulos, como a dinamina.

Endocitose e exocitose também podem ser consideradas como transporte de vesículas, pois esse tipo de transporte ocorre pela formação de vesículas. A endocitose é um processo pelo qual a substância é engolfada pelas células.

Bactérias e tecido morto engolfados por leucócitos.

Endocitose mediada por receptores:

A endocitose também pode ser específica se for mediada por receptor, chamada de endocitose mediada por receptor. Aqui, a molécula ou ligante se liga ao receptor específico na membrana celular, que está presente em cavidades chamadas de cavidades de clatrina na membrana celular. As moléculas de clatrina têm três pernas que se irradiam de um ponto central que circunda a vesícula endocítica e é comprimida no citoplasma. Uma vez formada a vesícula, a clatrina cai e é reutilizada. A vesícula então atinge o alvo.

Vitaminas, transferrina e entrada de colesterol na célula.

Mecanismo de endocitose:

Alguns mecanismos de endocitose são:

1. Os materiais a serem envolvidos entram em contato com a membrana celular.

2. A membrana celular invagina junto com o material

3. A invaginação é eliminada nas células

4. O material pinçado dentro da célula forma uma vesícula e deixa a membrana celular intacta -

uma. Se for um material sólido, é chamado de fagocitose (alimentação de células)

b. Se for uma solução, é chamado de pinocitose (beber células)

É uma pinocitose reversa em que as substâncias sintetizadas nas células secretoras são secretadas para fora da célula. A vesícula secretora move-se para o interior da membrana celular e se funde com elas. O conteúdo é expulso e a membrana da vesícula torna-se uma parte da membrana celular. Por exemplo, liberação de neurotransmissores. Tanto a endocitose quanto a exocitose mantêm a área de superfície das membranas celulares.

Também é chamado de citopempsia. O mecanismo envolve a endocitose da vesícula em um lado da membrana e exocitose no lado oposto. O local de ligação da vesícula tem caroços revestidos por caveolina. Por exemplo, transporte de nutrientes através das células endoteliais dos vasos sanguíneos para o fluido intersticial.


Figura 1. Estrutura Fosfolipídica. Uma molécula de fosfolipídio consiste em uma "cabeça" de fosfato polar, que é hidrofílica e uma "cauda" de lipídio não polar, que é hidrofóbica. Os ácidos graxos insaturados resultam em torções nas caudas hidrofóbicas.

o membrana celular é uma estrutura extremamente flexível composta principalmente de fosfolipídios consecutivos (uma “camada dupla”). O colesterol também está presente, o que contribui para a fluidez da membrana, e há várias proteínas embutidas na membrana que têm uma variedade de funções. Uma única molécula de fosfolipídeo tem um grupo fosfato em uma extremidade, chamado de “cabeça”, e duas cadeias lado a lado de ácidos graxos que compõem as caudas lipídicas (Figura 1). O grupo fosfato é carregado negativamente, tornando a cabeça polar e hidrofílica - ou "amante da água".

UMA hidrofílico molécula (ou região de uma molécula) é aquela que é atraída pela água. As cabeças de fosfato são, portanto, atraídas pelas moléculas de água dos ambientes extracelular e intracelular. As caudas lipídicas, por outro lado, são descarregadas ou apolares e são hidrofóbicas - ou "temerosas de água".

UMA hidrofóbico molécula (ou região de uma molécula) repele e é repelida pela água. Algumas caudas lipídicas consistem em ácidos graxos saturados e outras contêm ácidos graxos insaturados. Essa combinação aumenta a fluidez das caudas que estão em constante movimento. Os fosfolipídios são, portanto, moléculas anfipáticas.

Um anfipático molécula é aquela que contém uma região hidrofílica e uma hidrofóbica. Na verdade, o sabão remove manchas de óleo e graxa porque tem propriedades anfipáticas. A porção hidrofílica pode se dissolver na água, enquanto a porção hidrofóbica pode reter a graxa nas micelas que podem ser removidas.

Figura 2. Phospolipid Bilayer. A bicamada fosfolipídica consiste em duas camadas adjacentes de fosfolipídeos, dispostas cauda a cauda. As caudas hidrofóbicas se associam, formando o interior da membrana. As cabeças polares entram em contato com o fluido dentro e fora da célula.

A membrana celular consiste em duas camadas adjacentes de fosfolipídios. As caudas lipídicas de uma camada estão voltadas para as caudas lipídicas da outra camada, encontrando-se na interface das duas camadas. As cabeças dos fosfolipídios estão voltadas para fora, uma camada exposta para o interior da célula e uma camada exposta para o exterior (Figura 2).

Como os grupos fosfato são polares e hidrofílicos, eles são atraídos pela água no fluido intracelular. Líquido intracelular (ICF) é o interior fluido da célula. Os grupos fosfato também são atraídos para o fluido extracelular. Líquido extracelular (LEC) é o ambiente fluido fora do invólucro da membrana celular. Líquido intersticial (IF) é o termo dado ao fluido extracelular não contido nos vasos sanguíneos. Como as caudas lipídicas são hidrofóbicas, elas se encontram na região interna da membrana, excluindo o líquido intracelular e extracelular aquoso desse espaço. A membrana celular possui muitas proteínas, assim como outros lipídios (como o colesterol), que estão associados à bicamada fosfolipídica. Uma característica importante da membrana é que ela permanece fluida - os lipídios e proteínas da membrana celular não estão rigidamente travados no lugar.

Proteínas de Membrana

A bicamada lipídica forma a base da membrana celular, mas é salpicada por várias proteínas. Dois tipos diferentes de proteínas comumente associadas à membrana celular são as proteínas integrais e as proteínas periféricas (Figura 3). Como o nome sugere, um proteína integral é uma proteína que está embutida na membrana. UMA proteína do canal é um exemplo de uma proteína integral que permite seletivamente materiais específicos, como certos íons, passar para dentro ou para fora da célula.

Figura 3. Membrana celular. A membrana celular da célula é uma bicamada fosfolipídica contendo muitos componentes moleculares diferentes, incluindo proteínas e colesterol, alguns com grupos de carboidratos ligados.

Outro grupo importante de proteínas integrais são as proteínas de reconhecimento de células, que servem para marcar a identidade de uma célula para que ela possa ser reconhecida por outras células. UMA receptor é um tipo de proteína de reconhecimento que pode se ligar seletivamente a uma molécula específica fora da célula, e essa ligação induz uma reação química dentro da célula. UMA ligando é a molécula específica que se liga e ativa um receptor. Algumas proteínas integrais têm funções duplas como receptor e canal iônico. Um exemplo de interação receptor-ligante são os receptores nas células nervosas que se ligam a neurotransmissores, como a dopamina. Quando uma molécula de dopamina se liga a uma proteína receptora de dopamina, um canal dentro da proteína transmembrana se abre para permitir que certos íons fluam para a célula.

Algumas proteínas integrais de membrana são glicoproteínas. UMA glicoproteína é uma proteína que possui moléculas de carboidratos anexadas, que se estendem para a matriz extracelular. As tags de carboidratos anexadas às glicoproteínas auxiliam no reconhecimento celular. Os carboidratos que se estendem das proteínas da membrana e mesmo de alguns lipídios da membrana formam coletivamente o glicocálice.

o glicocálice é um revestimento de aparência difusa ao redor da célula, formado a partir de glicoproteínas e outros carboidratos ligados à membrana celular. O glicocálice pode ter várias funções. Por exemplo, pode ter moléculas que permitem que a célula se ligue a outra célula, pode conter receptores para hormônios ou pode ter enzimas para quebrar os nutrientes. Os glicocálice encontrados no corpo de uma pessoa são produtos da composição genética dessa pessoa. Eles dão a cada um dos trilhões de células do indivíduo a "identidade" de pertencer ao corpo da pessoa. Essa identidade é a principal maneira pela qual as células de defesa imunológica de uma pessoa "sabem" que não devem atacar as células do próprio corpo da pessoa, mas também é a razão pela qual órgãos doados por outra pessoa podem ser rejeitados.

Proteínas periféricas são tipicamente encontrados na superfície interna ou externa da bicamada lipídica, mas também podem ser fixados na superfície interna ou externa de uma proteína integral. Essas proteínas normalmente desempenham uma função específica para a célula. Algumas proteínas periféricas na superfície das células intestinais, por exemplo, agem como enzimas digestivas para quebrar os nutrientes em tamanhos que podem passar pelas células e chegar à corrente sanguínea.

Transporte através da membrana celular

Uma das grandes maravilhas da membrana celular é sua capacidade de regular a concentração de substâncias dentro da célula. Essas substâncias incluem íons como Ca 2+, Na +, K + e Cl - nutrientes, incluindo açúcares, ácidos graxos e aminoácidos e produtos residuais, particularmente dióxido de carbono (CO2), que deve sair da célula. A estrutura de bicamada lipídica da membrana fornece o primeiro nível de controle. Os fosfolipídios são compactados e a membrana tem um interior hidrofóbico. Esta estrutura faz com que a membrana seja seletivamente permeável.

Permeabilidade seletiva

Uma membrana que tem permeabilidade seletiva permite que apenas substâncias que atendam a certos critérios passem por ele sem ajuda. No caso da membrana celular, apenas materiais não polares relativamente pequenos podem se mover através da bicamada lipídica (lembre-se de que as caudas lipídicas da membrana não são polares). Alguns exemplos são outros lipídios, gases de oxigênio e dióxido de carbono e álcool. No entanto, materiais solúveis em água - como glicose, aminoácidos e eletrólitos - precisam de alguma ajuda para atravessar a membrana porque são repelidos pelas caudas hidrofóbicas da bicamada fosfolipídica. Todas as substâncias que se movem através da membrana o fazem por um de dois métodos gerais, que são categorizados com base na necessidade ou não de energia.

Passagem passiva e ativa através da membrana celular

Transporte passivo é o movimento de substâncias através da membrana sem o gasto de energia celular. Em contraste, transporte Ativo é o movimento de substâncias através da membrana usando a energia do trifosfato de adenosina (ATP).

Transporte passivo

Os processos passivos não usam ATP, mas precisam de algum tipo de força motriz. Geralmente é proveniente da energia cinética na forma de um gradiente de concentração. As moléculas tendem a se mover de altas para baixas concentrações pelo movimento aleatório das moléculas. Existem 3 tipos principais de processos passivos.

Para entender Como as substâncias se movem passivamente através de uma membrana celular, é necessário compreender gradientes de concentração e difusão. UMA gradiente de concentração é a diferença na concentração de uma substância em um espaço. As moléculas (ou íons) irão se espalhar / se difundir de onde estão mais concentradas para onde estão menos concentradas, até que sejam igualmente distribuídas naquele espaço. (Quando as moléculas se movem dessa maneira, diz-se que elas se movem baixa seu gradiente de concentração.) Difusão é o movimento de partículas de uma área de maior concentração para uma área de menor concentração. Alguns exemplos comuns ajudarão a ilustrar esse conceito. Imagine estar dentro de um banheiro fechado. Se um frasco de perfume fosse borrifado, as moléculas do perfume se difundiriam naturalmente do local onde deixaram o frasco para todos os cantos do banheiro, e essa difusão continuaria até que não restasse mais gradiente de concentração. Outro exemplo é uma colher de açúcar colocada em uma xícara de chá. Eventualmente, o açúcar se espalhará por todo o chá até que nenhum gradiente de concentração permaneça. Em ambos os casos, se a sala estiver mais quente ou o chá mais quente, a difusão ocorre ainda mais rápido, pois as moléculas se chocam e se espalham mais rápido do que em temperaturas mais frias. Ter uma temperatura corporal interna em torno de 98,6 ° F, portanto, também ajuda na difusão de partículas dentro do corpo.

Sempre que uma substância existe em maior concentração em um lado de uma membrana semipermeável, como as membranas celulares, qualquer substância que possa descer seu gradiente de concentração através da membrana o fará. Considere as substâncias que podem se difundir facilmente através da bicamada lipídica da membrana celular, como os gases oxigênio (O2) e companhia2. O2 geralmente se difunde nas células porque está mais concentrado fora delas, e o CO2 normalmente se difunde para fora das células porque está mais concentrado dentro delas. Nenhum desses exemplos requer energia por parte da célula e, portanto, usam o transporte passivo para se mover através da membrana. Antes de prosseguir, você precisa revisar os gases que podem se difundir pela membrana celular. Como as células usam rapidamente o oxigênio durante o metabolismo, normalmente há uma concentração mais baixa de O2 dentro da célula do que fora. Como resultado, o oxigênio se difundirá do fluido intersticial diretamente através da bicamada lipídica da membrana e para o citoplasma dentro da célula. Por outro lado, porque as células produzem CO2 como um subproduto do metabolismo, CO2 as concentrações aumentam dentro do citoplasma, portanto, CO2 irá mover-se da célula através da bicamada lipídica e para o líquido intersticial, onde sua concentração é menor. Este mecanismo de propagação de moléculas de onde estão mais concentradas para onde estão menos concentração é uma forma de transporte passivo chamada difusão simples (Figura 4).

Figura 4. Difusão simples através da membrana celular (plasma). A estrutura da bicamada lipídica permite que apenas pequenas substâncias não polares, como oxigênio e dióxido de carbono, passem pela membrana celular, descendo seu gradiente de concentração, por difusão simples.

Solutos dissolvidos em água em cada lado da membrana celular tendem a se difundir em seus gradientes de concentração, mas como a maioria das substâncias não pode passar livremente através da bicamada lipídica da membrana celular, seu movimento é restrito aos canais de proteína e mecanismos de transporte especializados na membrana . Difusão facilitada é o processo de difusão utilizado para aquelas substâncias que não conseguem atravessar a bicamada lipídica devido ao seu tamanho e / ou polaridade (Figura 5). Um exemplo comum de difusão facilitada é o movimento da glicose para o interior da célula, onde é usada para produzir ATP. Embora a glicose possa ser mais concentrada fora de uma célula, ela não pode cruzar a bicamada lipídica por meio de difusão simples porque é grande e polar. Para resolver isso, uma proteína transportadora especializada chamada transportador de glicose transferirá moléculas de glicose para a célula para facilitar sua difusão interna.

Figura 5. Difusão facilitada. (a) A difusão facilitada de substâncias que atravessam a membrana celular (plasma) ocorre com a ajuda de proteínas, como proteínas de canal e proteínas transportadoras. As proteínas do canal são menos seletivas do que as proteínas transportadoras e geralmente discrimina levemente sua carga com base no tamanho e na carga. (b) As proteínas transportadoras são mais seletivas, muitas vezes permitindo apenas o cruzamento de um tipo particular de molécula.

Embora os íons de sódio (Na +) estejam altamente concentrados fora das células, esses eletrólitos são polarizados e não podem passar pela bicamada lipídica apolar da membrana. Sua difusão é facilitada por proteínas de membrana que formam canais de sódio (ou “poros”), de modo que os íons Na + podem descer seu gradiente de concentração de fora das células para dentro das células. Existem muitos outros solutos que devem sofrer difusão facilitada para entrar em uma célula, como aminoácidos, ou para sair de uma célula, como resíduos. Como a difusão facilitada é um processo passivo, não requer gasto de energia pela célula. A água também pode se mover livremente através da membrana celular de todas as células, seja através dos canais de proteínas ou deslizando entre as caudas lipídicas da própria membrana.

Osmosisé a difusão da água através de uma membrana semipermeável (Figura 6).

Figura 6. Osmose. Osmose é a difusão de água através de uma membrana semipermeável ao longo de seu gradiente de concentração. Se uma membrana for permeável à água, embora não a um soluto, a água igualará sua própria concentração ao se difundir para o lado de menor concentração de água (e, portanto, para o lado de maior concentração de soluto). No copo da esquerda, a solução do lado direito da membrana é hipertônica.

O movimento das moléculas de água não é regulado pelas células, por isso é importante que as células sejam expostas a um ambiente em que a concentração de solutos fora das células (no fluido extracelular) seja igual à concentração de solutos dentro das células ( no citoplasma). Duas soluções que têm a mesma concentração de solutos são consideradas isotônico (tensão igual). Quando as células e seus ambientes extracelulares são isotônicos, a concentração de moléculas de água é a mesma fora e dentro das células, e as células mantêm sua forma (e função) normais. A osmose ocorre quando há um desequilíbrio de solutos fora de uma célula em relação ao interior da célula. Uma solução que tem uma concentração maior de solutos do que outra solução é considerada hipertônico, e as moléculas de água tendem a se difundir em uma solução hipertônica (Figura 7). As células em uma solução hipertônica murcham à medida que a água deixa a célula por osmose. Em contraste, uma solução que tem uma concentração menor de solutos do que outra solução é considerada hipotônico, e as moléculas de água tendem a se difundir para fora de uma solução hipotônica. As células em uma solução hipotônica absorvem muita água e incham, com o risco de estourar. Um aspecto crítico da homeostase em seres vivos é criar um ambiente interno no qual todas as células do corpo estão em uma solução isotônica. Vários sistemas de órgãos, principalmente os rins, trabalham para manter essa homeostase.

Figura 7. Concentração de soluções. Uma solução hipertônica tem uma concentração de soluto maior do que outra solução. Uma solução isotônica tem uma concentração de soluto igual a outra solução. Uma solução hipotônica tem uma concentração de soluto menor do que outra solução.

Outro mecanismo além da difusão para transportar passivamente materiais entre os compartimentos é a filtração. Ao contrário da difusão de uma substância de onde está mais concentrada para menos concentrada, a filtração usa um gradiente de pressão hidrostática que empurra o fluido - e os solutos dentro dele - de uma área de pressão mais alta para uma área de pressão mais baixa. A filtração é um processo extremamente importante no corpo.Por exemplo, o sistema circulatório usa a filtração para mover o plasma e as substâncias através do revestimento endotelial dos capilares e para os tecidos circundantes, fornecendo os nutrientes às células. A pressão de filtração nos rins fornece o mecanismo para remover os resíduos da corrente sanguínea.

Transporte Ativo

Você acabou de investigar os métodos passivos de transporte, agora vamos dar uma olhada nos métodos ativos. Em métodos ativos, a célula deve gastar energia (ATP) para fazer o trabalho de moléculas em movimento. O transporte ativo geralmente ocorre quando a molécula está sendo movida contra seu gradiente de concentração ou quando moléculas muito grandes são movidas para dentro ou para fora da célula. Existem 3 tipos principais de processos ativos.

Durante o transporte ativo, o ATP é necessário para mover uma substância através de uma membrana, muitas vezes com a ajuda de transportadores de proteína, e geralmente contra seu gradiente de concentração. Um dos tipos mais comuns de transporte ativo envolve proteínas que funcionam como bombas. A palavra “bomba” provavelmente evoca pensamentos de como usar energia para bombear o pneu de uma bicicleta ou de uma bola de basquete. Da mesma forma, a energia do ATP é necessária para que essas proteínas de membrana transportem substâncias - moléculas ou íons - através da membrana, geralmente contra seus gradientes de concentração (de uma área de baixa concentração para uma área de alta concentração). o bomba de sódio-potássio, que também é chamada de N + / K + ATPase, transporta sódio para fora da célula enquanto move o potássio para dentro da célula. A bomba Na + / K + é uma importante bomba iônica encontrada nas membranas de muitos tipos de células. Essas bombas são particularmente abundantes nas células nervosas, que estão constantemente bombeando íons de sódio e puxando íons de potássio para manter um gradiente elétrico através de suas membranas celulares. Um gradiente elétrico é uma diferença na carga elétrica em um espaço. No caso das células nervosas, por exemplo, o gradiente elétrico existe entre o interior e o exterior da célula, com o interior sendo carregado negativamente (cerca de -70 mV) em relação ao exterior. O gradiente elétrico negativo é mantido porque cada bomba de Na + / K + move três íons Na + para fora da célula e dois íons K + para dentro da célula para cada molécula de ATP usada (Figura 8). Esse processo é tão importante para as células nervosas que é responsável pela maior parte do uso de ATP.

Figura 8. Bomba de sódio-potássio. A bomba de sódio-potássio é encontrada em muitas membranas celulares (plasma). Alimentada por ATP, a bomba move íons de sódio e potássio em direções opostas, cada uma contra seu gradiente de concentração. Em um único ciclo da bomba, três íons de sódio são extrudados e dois íons de potássio são importados para a célula.

Outras formas de transporte ativo não envolvem portadores de membrana. Endocitose (trazer “para dentro da célula”) é o processo de uma célula ingerir material envolvendo-o em uma parte de sua membrana celular e, em seguida, arrancando essa parte da membrana (Figura 9). Uma vez removida, a porção da membrana e seu conteúdo se tornam uma vesícula intracelular independente. UMA vesícula é um saco membranoso - uma organela esférica e oca delimitada por uma membrana de bicamada lipídica. A endocitose geralmente traz materiais para a célula que devem ser quebrados ou digeridos. Fagocitose (“Comer células”) é a endocitose de partículas grandes. Muitas células imunológicas se envolvem na fagocitose de patógenos invasores. Como os pequenos Pac-men, seu trabalho é patrulhar os tecidos do corpo em busca de matéria indesejada, como células bacterianas invasoras, fagocitá-las e digeri-las. Em contraste com a fagocitose, pinocitose (“Beber células”) traz fluido contendo substâncias dissolvidas para dentro de uma célula através de vesículas de membrana.

Figura 9. Três formas de endocitose. A endocitose é uma forma de transporte ativo em que uma célula envolve materiais extracelulares usando sua membrana celular. (a) Na fagocitose, que é relativamente não seletiva, a célula recebe uma grande partícula. (b) Na pinocitose, a célula absorve pequenas partículas no fluido. (c) Em contraste, a endocitose mediada por receptor é bastante seletiva. Quando os receptores externos se ligam a um ligante específico, a célula responde endocitando o ligante.

Figura 10. Exocitose. A exocitose é muito parecida com a endocitose reversa. O material destinado à exportação é embalado em uma vesícula dentro da célula. A membrana da vesícula se funde com a membrana celular e o conteúdo é liberado no espaço extracelular.

A fagocitose e a pinocitose envolvem grandes porções de material extracelular e normalmente não são altamente seletivas nas substâncias que trazem. As células regulam a endocitose de substâncias específicas por meio da endocitose mediada por receptor. Endocitose mediada por receptores é a endocitose por uma porção da membrana celular que contém muitos receptores que são específicos para uma determinada substância. Uma vez que os receptores de superfície se ligaram a quantidades suficientes da substância específica (o ligante do receptor), a célula endocitará a parte da membrana celular que contém os complexos receptor-ligante. O ferro, um componente necessário da hemoglobina, é endocitado pelos glóbulos vermelhos dessa maneira. O ferro está ligado a uma proteína chamada transferrina no sangue. Receptores de transferrina específicos nas superfícies dos glóbulos vermelhos ligam-se às moléculas de ferro-transferrina e as células endocitoses aos complexos receptor-ligante. Em contraste com a endocitose, exocitose (tirar “para fora da célula”) é o processo de exportação de material de uma célula usando transporte vesicular (Figura 10).

Muitas células fabricam substâncias que devem ser secretadas, como uma fábrica que fabrica um produto para exportação. Essas substâncias são tipicamente embaladas em vesículas ligadas à membrana dentro da célula. Quando a membrana da vesícula se funde com a membrana da célula, a vesícula libera seu conteúdo no líquido intersticial. A membrana da vesícula então se torna parte da membrana celular. As células do estômago e do pâncreas produzem e secretam enzimas digestivas por meio da exocitose (Figura 11). As células endócrinas produzem e secretam hormônios que são enviados por todo o corpo, e certas células imunológicas produzem e secretam grandes quantidades de histamina, uma substância química importante para as respostas imunológicas.

Figura 11. Células pancreáticas e produtos enzimáticos # 8217. As células acinares pancreáticas produzem e secretam muitas enzimas que digerem os alimentos. Os minúsculos grânulos pretos nesta micrografia eletrônica são vesículas secretoras cheias de enzimas que serão exportadas das células por exocitose. LM × 2900. (Micrografia fornecida pelos Regentes da Escola de Medicina da Universidade de Michigan © 2012)

Doenças da célula: fibrose cística

A fibrose cística (FC) afeta aproximadamente 30.000 pessoas nos Estados Unidos, com cerca de 1.000 novos casos relatados a cada ano. A doença genética é mais conhecida por seus danos aos pulmões, causando dificuldades respiratórias e infecções pulmonares crônicas, mas também afeta o fígado, o pâncreas e os intestinos. Apenas cerca de 50 anos atrás, o prognóstico para crianças nascidas com FC era muito sombrio - uma expectativa de vida raramente superior a 10 anos. Hoje, com os avanços no tratamento médico, muitos pacientes com FC chegam aos 30 anos.

Os sintomas da FC resultam de um canal iônico de membrana com defeito denominado regulador de condutância transmembrana da fibrose cística, ou CFTR. Em pessoas saudáveis, a proteína CFTR é uma proteína de membrana integral que transporta os íons Cl - para fora da célula. Em uma pessoa que tem FC, o gene para o CFTR sofre mutação, portanto, a célula fabrica uma proteína de canal defeituosa que normalmente não é incorporada à membrana, mas, em vez disso, é degradada pela célula. O CFTR requer ATP para funcionar, fazendo do seu Cl - transporte uma forma de transporte ativo. Esta característica intrigou os pesquisadores por muito tempo porque os íons Cl - estão realmente fluindo baixa seu gradiente de concentração quando transportados para fora das células. O transporte ativo geralmente bombeia íons contra seu gradiente de concentração, mas o CFTR apresenta uma exceção a esta regra. No tecido pulmonar normal, o movimento do Cl - para fora da célula mantém um ambiente rico em Cl - carregado negativamente imediatamente fora da célula. Isso é particularmente importante no revestimento epitelial do sistema respiratório.

As células epiteliais respiratórias secretam muco, que serve para reter poeira, bactérias e outros detritos. Um cílio (plural = cílios) é um dos apêndices semelhantes a cabelos encontrados em certas células. Os cílios nas células epiteliais movem o muco e suas partículas presas pelas vias aéreas, longe dos pulmões e em direção ao exterior. Para ser efetivamente movido para cima, o muco não pode ser muito viscoso, mas deve ter uma consistência fina e aquosa. O transporte de Cl - e a manutenção de um ambiente eletronegativo fora da célula atraem íons positivos como o Na + para o espaço extracelular. O acúmulo de íons Cl - e Na + no espaço extracelular cria muco rico em solutos, que possui baixa concentração de moléculas de água. Como resultado, por meio da osmose, a água se move das células e da matriz extracelular para o muco, “tornando-o mais fino”. É assim que, em um sistema respiratório normal, o muco é mantido suficientemente diluído para ser expelido do sistema respiratório.

Se o canal CFTR estiver ausente, os íons Cl - não são transportados para fora da célula em números adequados, impedindo-os de atrair íons positivos. A ausência de íons no muco secretado resulta na falta de um gradiente normal de concentração de água. Assim, não há pressão osmótica puxando a água para o muco. O muco resultante é espesso e pegajoso, e o epitélio ciliado não consegue removê-lo do sistema respiratório com eficácia. As passagens nos pulmões ficam bloqueadas com muco, junto com os detritos que ele carrega. As infecções bacterianas ocorrem mais facilmente porque as células bacterianas não são efetivamente transportadas para fora dos pulmões.


Transporte intracelular de lipídios em eucariotos

Polarização de macrófagos se refere a como os macrófagos foram ativados em um determinado ponto no espaço e no tempo. A polarização não é fixa, pois os macrófagos são suficientemente plásticos para integrar vários sinais, como os de micróbios, tecidos danificados e. consulte Mais informação

Figura 1: Regulação do desenvolvimento de macrófagos de monócitos. (a) Três resultados podem seguir a semeadura de tecidos ou locais inflamatórios por monócitos: morte, residência estável e mistura com wi.

Figura 2: Linha do tempo da pesquisa sobre polarização de macrófagos. Nem todos os artigos primários são citados aqui devido a restrições de espaço. A seleção das principais descobertas e avanços representa a interpretação do autor.

Figura 3: Fatores extrínsecos e intrínsecos controlam a polarização de macrófagos. (a) macrófagos M2 e (b) macrófagos M1 são mostrados com alguns dos fatores ligados ao seu desenvolvimento. Deve-se notar.

Figura 4: TNF é o principal fator anti-M2. A exposição de macrófagos ao TNF bloqueia a polarização M2 em dois níveis: (a) por meio de seus efeitos diretos nos macrófagos e (b) por meio dos efeitos indiretos do TNF.


Transporte intracelular de colesterol

Endereço para correspondência: Frederick R. Maxfield, Departamento de Bioquímica, Sala E-215, Weill Medical College da Cornell University, 1300 York Avenue, Nova York, New York 10021, EUA. Telefone: (212) 747-6405 Fax: (212) 746-8875 E-mail: [email protected]

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Departamento de Bioquímica, Weill Medical College da Cornell University, Nova York, Nova York, EUA

Endereço para correspondência: Frederick R. Maxfield, Departamento de Bioquímica, Sala E-215, Weill Medical College da Cornell University, 1300 York Avenue, Nova York, New York 10021, EUA. Telefone: (212) 747-6405 Fax: (212) 746-8875 E-mail: [email protected]

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A distribuição intracelular correta do colesterol entre as membranas celulares é essencial para muitas funções biológicas das células de mamíferos, incluindo a transdução de sinal e o tráfego de membrana. O tráfego intracelular desempenha um papel importante na disposição adequada do colesterol internalizado e na regulação do efluxo de colesterol. Apesar da importância do transporte e distribuição do colesterol dentro das células para a fisiologia normal e em condições patológicas, muitos aspectos fundamentais do movimento do colesterol intracelular não são bem compreendidos. Por exemplo, os papéis relativos do transporte vesicular e não vesicular não foram totalmente determinados, e a distribuição assimétrica do colesterol entre os dois folhetos das membranas biológicas é mal caracterizada em muitos casos. Além disso, embora seja claro que pequenos microdomínios enriquecidos com colesterol (muitas vezes referidos como jangadas, ver Simons e Ehehalt, esta série Perspectiva, ref. 1) ocorrem em muitas membranas biológicas, a composição, tamanho e dinâmica desses microdomínios permanecem incertos . Aqui, discutiremos a compreensão atual do transporte intracelular de colesterol.

As organelas de membrana das células de mamíferos mantêm composições distintas de proteínas e lipídios que são essenciais para seu funcionamento adequado (Figura 1). Na via secretora biossintética, o colesterol é baixo no retículo endoplasmático (RE), mas seu nível aumenta através do aparelho de Golgi, com níveis mais elevados na membrana plasmática (2). Na via endocítica, o compartimento de reciclagem endocítica (ERC), que contém proteínas e lipídios da membrana de reciclagem (3), também contém níveis elevados de colesterol (4). O conteúdo de colesterol dos endossomos e lisossomos tardios não está bem documentado, mas em condições normais parece ser menor do que no ERC (2, 4). Nas células epiteliais polarizadas, a membrana apical é enriquecida em colesterol e esfingolipídios em relação à membrana basolateral (5).

Mecanismos básicos de transporte de colesterol entre duas membranas. (uma) Transporte vesicular. Este processo requer ATP, mas não requer uma mudança na distribuição transversal do colesterol na membrana doadora. (b) Difusão através do citoplasma ou ligada a uma proteína transportadora (setas superiores) ou por difusão livre (setas inferiores). O colesterol na membrana doadora deve ser dessorvido do folheto citoplasmático, de modo que a distribuição transbamada de colesterol pode afetar esse processo. (c) Transporte através dos contatos da membrana. As membranas doadora e aceptora adjacentes entram em contato próximo, resultando no transporte do colesterol através do espaço intermembranar. Esse processo requer colesterol no folheto citosólico da membrana do doador e pode ser facilitado por proteínas de transporte.

Embora o ER seja o local de síntese do colesterol, a concentração de colesterol no ER é muito baixa, compreendendo apenas cerca de 0,5-1% do colesterol celular (6), embora a área de superfície do ER exceda a da membrana plasmática em muitos células. Muitos aspectos da regulação do colesterol estão sob rígido controle de feedback e são sensíveis à concentração de colesterol no ER. Por exemplo, um aumento no conteúdo de colesterol do RE acelera a degradação da 3-hidroxi-3-metilglutaril-coenzima A redutase, a enzima regulada chave para a síntese do colesterol (7). A proteína de ativação da clivagem (SCAP) da proteína de ligação ao elemento de resposta de esterol (SREBP) responde à redução do colesterol na membrana ER ativando a clivagem proteolítica e a translocação de um fragmento de SREBP para o núcleo, onde altera a transcrição de vários genes envolvidos na regulação do colesterol (8). Assim, a concentração de esterol na membrana ER é crucial para a homeostase do colesterol celular.

O conteúdo de colesterol do aparelho de Golgi é intermediário entre aqueles do RE e da membrana plasmática, mas o conteúdo de colesterol medido do Golgi depende do método utilizado para a purificação dessas membranas (9). Estudos de microscopia eletrônica de ligação à filipina mostram um aumento no teor de colesterol do cis- ao trans-Golgi (7). Foi proposto que jangadas enriquecidas em esfingomielina, glicoesfingolipídios e colesterol se formam no aparelho de Golgi e que esses domínios de jangada são transportados seletivamente para o domínio apical a partir do trans-Golgi (5, 10). O colesterol no ERC é igualmente importante para o tráfego correto da membrana. Foi demonstrado que as reduções no colesterol celular alteram a reciclagem de proteínas ancoradas em glicosil-fosfatidilinositol (ancoradas em GPI) (11).

Estima-se que a membrana plasmática contenha cerca de 60–80% do colesterol celular total (2) e estima-se que o colesterol seja de 30–40% das moléculas de lipídios da membrana plasmática. Apesar de alguma incerteza quanto a esses números, está claro em todos os estudos que a membrana plasmática é altamente enriquecida em colesterol em comparação com outras membranas celulares.

O colesterol e os lipídios não são distribuídos homogeneamente nas bicamadas da membrana biológica. Microdomínios enriquecidos com colesterol e esfingolipídios, que são resistentes à solubilização em baixa temperatura por detergentes não iônicos, como Triton X-100, têm sido propostos para desempenhar um papel importante no transporte de colesterol (5, 10, 12). As propriedades dos lipídios em tais membranas resistentes a detergentes (DRMs) são semelhantes àquelas em uma fase ordenada de líquido (Lo) que foi caracterizada em membranas modelo (13). Domínios Lo exibem alta mobilidade lateral dos lipídios e compactação apertada no núcleo hidrofóbico da membrana. As jangadas não foram observadas diretamente por microscopia óptica em células vivas, provavelmente porque suas dimensões estão abaixo do limite de resolução. A alta mobilidade lateral dentro dos domínios Lo e o pequeno tamanho das jangadas in vivo (5) garantem que as moléculas encontrarão os limites da jangada com frequência e que as moléculas individuais deixem regiões semelhantes às da jangada em segundos.

Uma alta fração da membrana plasmática de muitos tipos de células é encontrada em domínios semelhantes a jangadas, cerca de 70–80% da área de superfície de vários tipos de células tem se mostrado resistente à solubilização pelo frio Triton X-100 (14). Estudos de polarização de fluorescência também indicam que quase metade da membrana plasmática está em domínios ordenados a 37 ° C, consistente com a alta concentração de colesterol e esfingolipídios na membrana plasmática. Nas células epiteliais polarizadas, os esfingolipídios e o colesterol são especialmente enriquecidos nos domínios da membrana apical, que podem existir quase inteiramente em um estado ordenado (5).

A distribuição quantitativa do colesterol entre os domínios ordenados e desordenados da membrana plasmática não é conhecida. Dada a alta concentração geral de colesterol dentro da membrana plasmática, apenas um pequeno grau de enriquecimento local pode ser possível sem interromper a estrutura da bicamada. Em vez disso, a membrana plasmática pode ser mantida em uma composição onde pequenas mudanças no conteúdo de colesterol podem causar grandes mudanças na fluidez da membrana, como foi visto em modelos de membranas (14).

Muito provavelmente, muitos tipos de microdomínios de membrana coexistem nas células (14). Caveolae é um tipo de domínio especializado, semelhante a uma jangada. Eles estão associados às caveolinas e têm um formato de frasco característico com um diâmetro de cerca de 60 nm. Na maioria das células, os caveolae cobrem uma pequena porcentagem da membrana plasmática, então eles representam uma pequena fração dos DRMs da membrana plasmática.Sob certas circunstâncias, caveolae pode pinçar fora da membrana plasmática (15), mas sob condições de cultura de tecidos padrão, caveolae da membrana plasmática não troca rapidamente com pools internos de caveolina (16). Caveolins podem ligar colesterol (17), mas, como com outros domínios semelhantes a jangadas, o enriquecimento relativo de colesterol em caveolae é incerto.

Além da separação lateral das membranas em vários domínios, os dois folhetos das membranas biológicas têm composições distintas. Os mecanismos para manter uma distribuição assimétrica do colesterol não são bem compreendidos, mas um mecanismo provável é que a distribuição do colesterol é amplamente determinada pelos outros lipídios da membrana. Em geral, a distribuição transbamada de colesterol em membranas biológicas que não a membrana plasmática não está bem caracterizada, e mesmo na membrana plasmática há alguma incerteza. Alguns estudos indicam que o esterol está predominantemente no folheto externo da membrana plasmática (18), o que seria consistente com uma associação preferencial com a esfingomielina (13). No entanto, vários outros estudos indicaram que o colesterol é enriquecido no folheto citoplasmático (2, 19), embora a base molecular para tal enriquecimento seja desconhecida.

A incerteza quanto à distribuição do colesterol nos folhetos internos e externos da membrana plasmática é um exemplo da dificuldade mais geral de quantificar esta e muitas outras espécies de lipídeos em membranas biológicas intactas. Neste caso, uma vez que nenhuma medida direta de colesterol é viável, as distribuições transbamadas de colesterol são determinadas extinguindo a emissão de esteróis fluorescentes usando inibidores impermeáveis ​​de membrana. Esta abordagem não é ideal, em parte porque pode haver diferenças quantitativas nas propriedades dos análogos do colesterol fluorescente em comparação com o colesterol (ver abaixo).

Talvez a dificuldade mais séria para a análise quantitativa do colesterol em membranas seja que, embora o colesterol seja pouco solúvel em água, ele pode se dessorver espontaneamente das membranas a uma taxa apreciável. Na maioria das vezes, ele retornará à mesma membrana, mas também pode se ligar a quaisquer outros locais de ligação hidrofóbica disponíveis. Por esse motivo, uma fração significativa do colesterol de membrana pode ser redistribuída entre as organelas isoladas (20). Nas células, as proteínas solúveis podem ligar-se ao colesterol, às vezes com alta especificidade e afinidade (21, 22). Essas proteínas também podem mediar a transferência de colesterol entre as membranas in vitro após a ruptura celular (22).

O transporte e a distribuição do colesterol sintetizado recentemente podem ser determinados pela introdução de 3 H-acetato em células vivas e medindo a quantidade de 3 H colesterol em membranas isoladas em momentos diferentes. O colesterol radiomarcado e os ésteres de colesterol podem ser administrados por lipoproteínas, e o colesterol marcado também pode ser administrado por meio de veículos de ciclodextrina específicos, tais como metil-β-ciclodextrina. O colesterol total pode ser medido por métodos químicos diretos, como cromatografia gasosa - espectrometria de massa, ou por métodos indiretos, como ensaios baseados em colesterol oxidase (2, 23). Para que qualquer um desses métodos de medição do transporte e distribuição do colesterol seja usado, as várias organelas de interesse devem ser purificadas. Geralmente é muito difícil obter frações de membrana altamente purificadas, portanto, a possibilidade de efeitos da contaminação das membranas deve ser considerada. Além disso, protocolos de purificação longos podem aumentar o risco de transferência de colesterol. Esses métodos são mais úteis quando organelas podem ser facilmente separadas, como acontece com o RE e a membrana plasmática, mas podem ser muito difíceis de interpretar quando organelas como endossomos e membranas de Golgi são consideradas.

Uma das ferramentas mais utilizadas para estudar a distribuição intracelular do colesterol é o detergente fluorescente filipina, que se liga seletivamente ao colesterol (e não aos ésteres do colesterol) (24). A coloração com filipina pode ser usada para detectar o colesterol em várias organelas de membrana em células intactas. Embora a filipina seja um fluoróforo relativamente fraco, ela é detectada facilmente por câmeras de dispositivo de carga acoplada resfriadas. Geralmente, a filipina tem sido usada para análises qualitativas da distribuição do colesterol, uma vez que sua intensidade de fluorescência não está necessariamente relacionada de forma linear ao conteúdo de colesterol. Por exemplo, existem diferenças na acessibilidade do colesterol em diferentes piscinas (25). Outra limitação é que o colesterol pode ser redistribuído durante longas incubações com filipina. Assim, a quantificação da distribuição do colesterol intracelular a partir de experimentos usando filipina não é possível, embora as distribuições de colesterol observadas com filipina sejam geralmente consistentes com as distribuições obtidas por outros métodos. Quando a filipina se liga ao colesterol nas membranas, ela produz uma protuberância característica na membrana que pode ser vista em micrografias de fratura por congelamento. Tal como acontece com os estudos de fluorescência, a microscopia eletrônica da filipina tem sido útil para a análise qualitativa da distribuição do colesterol.

Vários derivados fluorescentes do colesterol têm sido usados ​​em estudos de microscopia de fluorescência. Um grande problema com adutos fluorescentes de colesterol é que o fluoróforo pode alterar muito as propriedades do colesterol, de modo que sua distribuição entre as membranas celulares é drasticamente alterada (9). Alguns esteróis são intrinsecamente fluorescentes e têm propriedades de distribuição lateral e transbicamada nas membranas que são bastante semelhantes ao colesterol. Um deles, o desidroergosterol (DHE), é um esterol natural produzido pela levedura (26). Embora seja um fluoróforo fraco fotobranqueado rapidamente com emissão próxima ao ultravioleta (UV), o DHE pode ser incorporado às membranas celulares em concentrações suficientes para ser observado com câmeras de dispositivos acoplados a carga sensíveis a UV (4, 9, 27). A DHE também foi usada em um estudo de imagem multifotônica (26). Existem questões significativas que precisam ser consideradas na validação de DHE ou outros esteróis intrinsecamente fluorescentes como análogos do colesterol. O DHE se distribui de maneira semelhante ao colesterol nas células (4, 9, 27), mas existem diferenças quantitativas, por exemplo, em sua taxa de dessorção das membranas lipídicas modelo (28). Assim, pode haver diferenças quantitativas no transporte de DHE em comparação com o colesterol. As propriedades de fluorescência de DHE também são sensíveis ao ambiente local, portanto, as intensidades relativas de fluorescência em várias membranas podem não refletir a concentração com precisão total. No entanto, esses reagentes oferecem a vantagem significativa de poderem ser usados ​​para observar diretamente a redistribuição de esterol em células vivas. DHE pode ser entregue à membrana plasmática através de um carreador metil-β-ciclodextrina em pulsos tão curtos quanto 1 minuto, e a redistribuição pode então ser observada e quantificada em estudos de pulso-perseguição (4, 27). O fotobranqueamento de DHE também pode ser usado com vantagem por fotobranqueamento de uma região de uma célula e, em seguida, medindo a taxa na qual a fluorescência retorna como trocas de DHE não branqueadas para a área branqueada (4, 9, 27).

Algumas técnicas especializadas, como o ensaio da colesterol oxidase (23), foram desenvolvidas para quantificar o colesterol na membrana plasmática. Este ensaio superestimará a quantidade de colesterol na membrana plasmática se a enzima ganhar acesso aos compartimentos intracelulares (por exemplo, por endocitose em células vivas ou por quebra de membrana) ou se o colesterol se mover para a membrana plasmática durante o ensaio. No entanto, uma modificação dessa abordagem, projetada para minimizar esses problemas (2), fornece estimativas da fração de colesterol celular na membrana plasmática (cerca de 70%) que estão de acordo com outros métodos em geral. Outro método útil para quantificar a liberação de colesterol para a membrana plasmática é a extração por ciclodextrina extracelular (29, 30). Este aceitador de colesterol seletivo pode remover pelo menos um pool de colesterol da membrana em cerca de um minuto. Em tais experiências de efluxo, as células são equilibradas com 3H-colesterol antes da adição de ciclodextrinas extracelulares. A extração do colesterol marcado é tipicamente bifásica, com um componente lento de extração exigindo dezenas de minutos (30). É provável que a maior parte da fase lenta seja liberada por organelas internas (4), mas é possível que também haja um pool extraível lentamente na membrana plasmática (30). Um pool de membrana plasmática extraível lentamente levaria à incerteza nas estimativas da fração de colesterol na membrana plasmática por este método.

Um método de mudança de densidade enzimática que tem sido usado para determinar se as proteínas estão no mesmo compartimento foi adaptado para determinar a quantidade relativa de 3H-colesterol em organelas (4). Quando a peroxidase de rábano (HRP) catalisa a peroxidação da diaminobenzidina, um polímero insolúvel é formado dentro da organela que cria um grande aumento em sua densidade. As organelas contendo o produto da reação catalisada por HRP podem ser separadas rapidamente dos outros componentes celulares por centrifugação. HRP pode ser entregue aos endossomos por acoplamento a uma proteína como a transferrina. De acordo com estudos que utilizam esse procedimento, cerca de 35% do colesterol celular é encontrado nos endossomos iniciais, incluindo o ERC (4). HRP também pode ser direcionado para organelas na via secretora biossintética por meio da expressão de construtos que codificam proteínas quiméricas contendo HRP e uma proteína ER ou Golgi (31). Este método está sujeito a preocupações sobre a redistribuição do colesterol durante o ensaio, mas fornece uma maneira razoavelmente rápida e fácil de obter isolamento relativamente limpo de uma organela.

Embora muitos métodos tenham sido desenvolvidos para medir a distribuição do colesterol nas células, todos eles estão sujeitos a vários graus de incerteza em sua interpretação. Portanto, é necessário comparar os resultados obtidos por vários métodos diferentes para obter uma análise confiável da distribuição intracelular do colesterol.

Outro grande desafio no estudo do transporte intracelular de colesterol é que vários mecanismos fundamentalmente diferentes para mover esteróis operam simultaneamente em células vivas (Figura 1). A ação combinada dessas vias pode dificultar a obtenção de uma compreensão geral clara do transporte do colesterol.

O colesterol pode ser incorporado em vesículas ou túbulos de transporte que carregam os constituintes da membrana de uma organela para outra. A inibição farmacológica pode ser usada para testar a importância de várias etapas de tráfego de membrana. Por exemplo, o envolvimento do aparelho de Golgi pode ser testado usando brefeldina A, que faz com que as membranas de Golgi se fundam no RE (32). O movimento de vesículas mediado por microtúbulos pode ser testado usando nocodazol ou outros agentes que rompem os microtúbulos (32). A expressão de proteínas inibitórias dominantes também pode ser usada para avaliar o papel do tráfego de vesículas. Por exemplo, a exportação de colesterol ou DHE do ERC (Figura 2) requer ATP e pode ser bloqueada pela expressão de uma forma mutante de uma proteína associada a ERC, Rme-1 (4).

Transporte de colesterol em células não polarizadas. LDL carregando colesterol e CE (colesterol esterificado) é transportado (uma) de classificação de endossomos (SE) para endossomos tardios (LE) e lisossomas (Ly), a partir dos quais o colesterol pode efluir e atingir a membrana plasmática ou o ER, onde fica esterificado (b) O efluxo de LE e Ly é mal caracterizado, conforme indicado por linhas tracejadas. O colesterol pode se mover da membrana plasmática para o ERC por um processo não-cervicular independente de ATP (c) Em contraste, a reciclagem do colesterol ocorre quase exclusivamente nas vesículas que também carregam outros marcadores de reciclagem (d) O colesterol sintetizado de novo é principalmente transportado do ER diretamente para a membrana plasmática, contornando o aparelho de Golgi (f), mas alguns seguem a via secretora biossintética do ER para o TGN (e) O excesso de colesterol (Ch) no RE torna-se esterificado (CE) e armazenado em gotículas de lipídios citoplasmáticos (D).

Uma vez que o colesterol pode ser dessorvido das membranas a uma taxa significativa e as células têm muitos transportadores de colesterol possíveis no citoplasma, a difusão mediada por transportadores pode desempenhar um papel importante no transporte de colesterol entre as membranas celulares (Figura 1). O transporte não vesicular é importante para o transporte de esteróis da membrana plasmática para o ERC (4) (Figura 2) e para a liberação de colesterol para a membrana mitocondrial interna em células esteroidogênicas (22). Os portadores do colesterol podem consistir em um grande número de proteínas citosólicas, cada uma com baixa afinidade e especificidade para o colesterol. Alternativamente, os transportadores podem ser proteínas transportadoras de colesterol especializadas. Foi identificada uma família de carreadores de lipídios e esteróis de alta afinidade, dos quais um dos protótipos é a proteína reguladora aguda esteroidogênica (StAR / StarD1) (21), cujos domínios de ligação a lipídios ou esteróis são chamados de transferência de lipídios relacionada a StAR ( START) domínios. StAR / StarD1 foi implicado na entrega de colesterol ao citocromo mitocondrial P450 em células esteroidogênicas (ref. 22 ver também Jefcoate, esta série de Perspectiva, ref. 33). Existem agora vários membros da família conhecidos, alguns dos quais foram mostrados para ligar o colesterol com alta afinidade. A expressão de um deles, StarD4, é regulada pelos níveis de esterol celular (34). Curiosamente, outro membro da família, MLN64, tem um domínio transmembrana que o localiza em endossomos tardios e um domínio START que se liga ao colesterol (35). Não se sabe se a função principal dessas proteínas do domínio START é o transporte de esteróis e lipídios ou se elas são principalmente proteínas reguladoras.

Proteínas de ligação a esterol difusíveis fornecem um mecanismo rápido para transportar o colesterol entre as membranas, mas a base da especificidade no direcionamento da membrana não é conhecida. Uma possibilidade é que esses fatores sejam direcionados a determinados compartimentos pela ligação a proteínas ou lipídios que são enriquecidos nesses compartimentos. Embora pareça provável que existam mecanismos de direcionamento específicos, um modelo alternativo sustenta que os transportadores difusíveis distribuem esterol entre todas as membranas alvo possíveis, com o enriquecimento relativo em várias organelas determinado pela capacidade das membranas de servirem como aceitadores de esterol. Em apoio ao último modelo, a taxa inicial de transferência de colesterol entre organelas isoladas de fibroblastos parece ser determinada em grande parte pelas características da membrana aceitadora (20). Além disso, descobriu-se que DHE em um transportador de ciclodextrina é entregue preferencialmente ao ERC não apenas em células vivas, mas mesmo em células permeabilizadas fixadas em formaldeído (4), consistente com a ideia de que este processo é independente de energia e surge de as propriedades intrínsecas das membranas alvo.

Outro meio para facilitar o transporte de uma membrana para outra é ter um contato próximo entre as duas membranas. Por exemplo, em muitos tipos de células, parte do RE está em estreita proximidade com a membrana plasmática (36), um arranjo que poderia facilitar a troca rápida de colesterol entre essas duas membranas, talvez com a ajuda de proteínas de transferência. Da mesma forma, as reconstruções tridimensionais do aparelho de Golgi revelaram extensas áreas de estreita aposição entre o trans-Golgi e ER (37). A enzima esterificante de colesterol ACAT é enriquecida nas partes do ER próximo ao ERC e ao trans-Golgi (38), talvez permitindo a entrega eficiente de colesterol para ACAT a partir dessas membranas ricas em colesterol.

Foi proposto que caveolae e caveolina desempenham um papel importante no transporte intracelular de colesterol. Em fibroblastos cultivados, a redução na expressão de caveolina por DNA antisense suprime o efluxo de colesterol, enquanto a transfecção com cDNA de caveolina estimula esse processo (39). Os mecanismos pelos quais a caveolina pode afetar o transporte de colesterol permanecem incertos, embora a caveolina possa ligar o colesterol diretamente (17). Foi proposto que a caveolina forma um complexo com proteínas chaperonas que entregam o colesterol do RE para a membrana plasmática, contornando o aparelho de Golgi (40). A palmitoilação de caveolina-1 pode ser necessária para rápida (t1/2 = 10 minutos) transferência de colesterol do ER para caveolae através deste complexo de chaperonas (40). No entanto, alguns estudos falharam em encontrar evidências de que este complexo chaperone de colesterol participa da liberação de colesterol recém-sintetizado pela superfície (32), e várias advertências precisam ser resolvidas sobre a contribuição da caveolina para o transporte de colesterol. Assim, pelo menos em células em cultura, a taxa de fluxo de caveolina entre o interior da célula e a membrana plasmática é tipicamente bastante baixa (16). Além disso, camundongos sem expressão de caveolina-1 e caveolina-2 (41, 42) parecem ser normais em relação aos seus níveis de colesterol e regulação, embora um estudo completo do transporte de colesterol nesses camundongos ainda não tenha sido relatado.

Um papel mais indireto para caveolinas e outras proteínas relacionadas foi proposto, no qual o aumento do acúmulo de caveolina-1 no RE promove sua interação com gotículas de lipídios recém-formados (43). Sugere-se que a topologia da membrana da caveolina, que possui dois domínios citoplasmáticos flanqueando uma região central que penetra, mas não atravessa a bicamada, pode permitir que ela se associe preferencialmente às deformações da membrana que aparecem durante a formação de uma gota lipídica. Curiosamente, uma família de proteínas vegetais associadas a gotículas de lipídios, as oleosinas, têm uma topologia semelhante às caveolinas. Conseqüentemente, as caveolinas e proteínas relacionadas podem alterar a estrutura da bicamada da membrana, promovendo a curvatura da membrana e talvez facilitando a redistribuição trans-bicamada do colesterol.

Transporte de e para o pronto-socorro. Uma vez que o RE é o local da síntese do colesterol, mas mantém um nível baixo de colesterol em estado estacionário, devem existir mecanismos de transporte eficientes para exportar o colesterol do RE (Figura 2). A exportação de colesterol do ER requer energia metabólica (2). Medido pela extração do colesterol na chegada à membrana plasmática com ciclodextrina, a cinética de seu transporte parece ser bifásica (29), com uma primeira fase, correspondendo a cerca de metade do total, atingindo a membrana plasmática em 60 minutos, e a o material restante sendo liberado em uma fase lenta ao longo de 5–6 horas (29).

A via secretora de proteínas mediada por vesículas através do aparelho de Golgi poderia, em princípio, fornecer uma via paralela para o colesterol sintetizado recentemente para a membrana plasmática. Estudos bioquímicos demonstraram que esta não é uma das principais vias de transporte do colesterol do RE para a membrana plasmática. O tratamento com Brefeldina A pode suprimir quantitativamente o transporte da superfície celular da proteína G do vírus da estomatite vesicular sem bloquear o transporte do colesterol (44). Ainda assim, embora esta rota vesicular não seja uma via principal de exportação de colesterol, um estudo recente descobriu que algum colesterol exportado do ER torna-se confinado a DRMs antes de atingir a membrana plasmática e que o transporte de colesterol para a membrana plasmática pode ser parcialmente inibido pela brefeldina A (32). A passagem de um pouco de colesterol pelo aparelho de Golgi pode ser importante para a classificação dependente de jangada no trans-Rede Golgi (TGN) de epitélios polarizados (5).Além disso, a depleção de energia ou os tratamentos que interferem no tráfego de vesículas reduzem a esterificação do colesterol derivado de β-VLDL em macrófagos em um estágio após a liberação de colesterol dos endossomos e lisossomos tardios (45). No entanto, o tratamento de células com esfingomielinase bacteriana, que libera colesterol da membrana plasmática, leva à esterificação do colesterol independente de ATP e é acompanhado por uma vesiculação independente de ATP da membrana plasmática (45, 46). Assim, parece que os mecanismos vesiculares e não-vesiculares operam durante todo o processo de transporte do colesterol.

Exportar de endossomos tardios e lisossomos. Os ésteres de colesterol no LDL e outras lipoproteínas são hidrolisados ​​em colesterol livre nos endossomos e lisossomos tardios. O colesterol é exportado dos lisossomas por um mecanismo que não está totalmente caracterizado (Figura 2). O transporte dos lisossomos para o ER ou a membrana plasmática pode ser inibido por progesterona ou aminas hidrofóbicas, como U18666A, imipramina, esfinganina e estearilamina (2), mas essa inibição não parece estar na etapa de exportação dos endossomos tardios e lisossomas, uma vez que o colesterol derivado de LDL aparece na membrana plasmática com cinética semelhante em células tratadas e não tratadas (47). Após o efluxo dos endossomos e lisossomos tardios, o colesterol pode ser distribuído para várias outras organelas. Foi estimado que em fibroblastos cerca de 30% do colesterol derivado de LDL é entregue ao ER sem trânsito através da membrana plasmática (2, 29).

A doença de Niemann-Pick C é um distúrbio recessivo hereditário caracterizado pelo acúmulo de colesterol e outros lipídios em organelas que compartilham muitas, mas não todas as características dos endossomos tardios (7, 48). A proteína Niemann-Pick C1 (NPC1) é uma proteína que atravessa várias membranas e não transporta o colesterol diretamente, mas pode facilitar o transporte através da bicamada de algumas moléculas hidrofóbicas (49). Não está claro em que etapa ou etapas a proteína NPC1 atua, mas, como acontece com a progesterona ou aminas hidrofóbicas, parece que a exportação inicial dos endossomos tardios não é afetada pelo colesterol levado para as células quando um éster associado ao LDL sai dos endossomos tardios e aparece na membrana plasmática como colesterol livre na mesma taxa no tipo selvagem e NPC1 células mutantes (47, 50). No entanto, o colesterol acaba se acumulando em organelas de armazenamento que se assemelham aos endossomos tardios e são enriquecidas em ácido lisobisfosfatídico (48) e outros lipídios (7). A base para esse acúmulo de colesterol e lipídios nos mutantes NPC1 ou em células tratadas com aminas hidrofóbicas permanece incerta.

Efluxo da membrana plasmática. Houve um progresso considerável nos últimos anos na compreensão dos mecanismos de efluxo de colesterol para aceitadores extracelulares (ver Tall et al., Esta série de Perspectiva, ref. 51). A proteína que é defeituosa na doença de Tânger, ABCA1, desempenha um papel fundamental, mas indireto, no efluxo de colesterol para os aceitadores de HDL (12). Parece que o papel específico de ABCA1 é facilitar a transferência de fosfolipídios para apoA-I. O colesterol pode então ser efluxado para a apoA-I carregada com fosfolipídios por um mecanismo que não requer ABCA1 (52). O papel das especializações de membrana no efluxo de colesterol é uma área ativa de investigação. Caveolae foram descritos como locais importantes para efluxo, mas não está claro se eles foram distinguidos de outros tipos mais abundantes de membranas semelhantes a jangadas (12). Curiosamente, as células que superexpressam ABCA1 carregam saliências da membrana plasmática (53) que podem desempenhar um papel na facilitação da transferência de fosfolipídios e colesterol.

Transporte hepático de colesterol. Os remanescentes de quilomícrons e outros tipos de lipoproteínas são absorvidos pelos hepatócitos usando uma variedade de receptores (54). Após a hidrólise de ésteres de colesterol, o colesterol livre é liberado na célula, onde pode ser transportado diretamente para a membrana canalicular para secreção biliar, usado para a síntese de sais biliares, ou reesterificado e usado para montagem de VLDLs no ER (55) . O VLDL montado é secretado na membrana basolateral dos hepatócitos e transporta o colesterol para os tecidos periféricos (56).

As vias de tráfego intracelular do colesterol nos hepatócitos e outros epitélios são mal definidas. Além das vias disponíveis nas células não polarizadas, as células epiteliais mantêm composições distintas de lipídios e proteínas em suas membranas plasmáticas apicais e basolaterais, exigindo classificação especializada na via secretora biossintética e nas vias de reciclagem endocítica (3, 57) (Figura 3) . A troca rápida e não vesicular de DHE entre os domínios da membrana plasmática apical e basolateral foi observada na linha celular de hepatoma polarizada HepG2, que forma um vacúolo apical semelhante ao canalículo biliar (27). O DHE é transportado em vesículas para um compartimento subapical ou compartimento de reciclagem apical (SAC / ARC), sugerindo que o colesterol derivado da membrana plasmática das células hepatocíticas tem acesso rápido a vários compartimentos intracelulares.

Transporte de colesterol em células polarizadas. As células polarizadas formam compartimentos distintos de membrana apical (vermelha) e basolateral (azul), que são separados por junções justas (TJ). Proteínas e lipídios são classificados ao longo das vias biossintéticas e endocíticas indicadas por vesículas azuis (basolaterais) e vermelhas (apicais). O colesterol da membrana plasmática é transportado em vesículas entre a membrana basolateral e apical por meio de um compartimento subapical ou compartimento de reciclagem apical (SAC / ARC). A reciclagem para a membrana basolateral também pode ocorrer a partir deste compartimento (uma) O colesterol LDL tem o mesmo destino que nas células não polarizadas (b) Uma fração do colesterol sintetizado de novo é transportada ao longo da via biossintética como nas células não polarizadas. No TGN, o colesterol pode formar microdomínios ou jangadas junto com esfingolipídios que segregam da membrana TGN restante e carregam proteínas e lipídios destinados apicalmente para a membrana apical mostrada em vermelho (c) Vesículas com destino basolateral (azul) brotam do TGN, mas devem conter menos colesterol (d) O colesterol da membrana plasmática pode se deslocar rapidamente entre os domínios da membrana plasmática por transporte não vesicular. Este processo envolve a rápida migração transbamada de colesterol para contornar a barreira de difusão lateral criada pelo TJ no folheto exoplasmático da membrana plasmática. Transporte através do citoplasma ligado a um carreador de proteína (e), e / ou difusão ao longo da monocamada interna (f) resultam em troca rápida de colesterol entre o domínio da membrana plasmática apical e basolateral. A formação de CE ocorre como em células não polarizadas, mas é omitida para maior clareza.

Transporte de colesterol em macrófagos. Visto que o carregamento de ésteres de colesterol em gotículas citoplasmáticas de macrófagos é uma etapa inicial na formação de lesões ateroscleróticas, o transporte intracelular de colesterol nessas células é de grande interesse (58). Muitas das vias de transporte são semelhantes às encontradas em outras células. Nos macrófagos, o destino intracelular do colesterol derivado das lipoproteínas depende do mecanismo subjacente à sua internalização. O LDL é internalizado pelo receptor de LDL e entregue aos endossomos tardios, onde os ésteres de colesterol são hidrolisados, a regulação baixa homeostática dos receptores de LDL limita a entrega de colesterol total dessa fonte e as gotículas de lipídeos do éster de colesterol não se acumulam nessas células. Em contraste, o colesterol entregue via β-VLDL, que também se liga ao receptor de LDL, torna-se esterificado por ACAT e armazenado em gotículas citoplasmáticas, talvez porque uma carga maior de colesterol é fornecida pelas partículas maiores de β-VLDL. LDLs oxidados ou acetilados entram por meio de receptores necrófagos e também estimulam a formação de gotículas de ésteres de colesterol, embora o LDL oxidado seja muito menos eficaz na ativação desse processo (59). O LDL agregado e retido na ECM não se torna internalizado pela endocitose mediada por receptor, mas permanece em contato extracelular prolongado com macrófagos, neste caso, a entrega do colesterol associado precede a internalização e a degradação das proteínas (60). Essa interação, que se assemelha à situação nas lesões ateroscleróticas, também leva à estimulação significativa da esterificação do colesterol (58).

A extensão da esterificação do colesterol pelos macrófagos depende de uma forma não linear da quantidade de carga de colesterol (61), de modo que ocorre muito mais esterificação quando um valor limite de carga é excedido. A base para essa resposta não linear não é totalmente compreendida, mas um componente dela pode ser a entrega mais eficiente de colesterol para ACAT no ER quando o colesterol livre está acima do limite. Uma relação não linear semelhante entre a elevação do colesterol na membrana plasmática e os níveis de colesterol no RE foi encontrada nos fibroblastos (6), e tal relação seria consistente com os efeitos observados nos macrófagos quando o colesterol está elevado.

Transporte de colesterol em células esteroidogênicas. O colesterol é o precursor da síntese de hormônios esteróides nas mitocôndrias dos tecidos gonadal e adrenal. A síntese é iniciada pela conversão do colesterol em pregnenolona por meio do citocromo P450 de clivagem da cadeia lateral do colesterol C27, localizado na membrana mitocondrial interna. O fornecimento de colesterol é um fator limitante desse processo (21). O colesterol destinado à síntese de hormônios esteróides é derivado principalmente da membrana plasmática e de gotículas lipídicas. Como o colesterol atinge a superfície externa da mitocôndria ainda não está definido, mas os mecanismos de transporte não vesicular por meio de proteínas carreadoras ou por meio de contatos de membrana entre as mitocôndrias e as gotículas de lipídios são provavelmente importantes (62, 63). É geralmente assumido que a etapa limitante da taxa na esteroidogênese é a translocação de colesterol da membrana mitocondrial externa para a interna, e várias proteínas foram propostas para mediar esta etapa de transporte, incluindo o receptor de benzodiazepina do tipo periférico, que se liga ao colesterol e outros compostos conhecidos por estimularem a esteroidogênese (64). Acredita-se que StAR / StarD1 atue seletivamente na superfície externa da mitocôndria para mediar a importação de colesterol (referências 65, 66 ver também Jefcoate, esta série de Perspectiva, referência 33, para uma visão alternativa), mas o mecanismo exato de induzido por StAR A importação de colesterol para as mitocôndrias não é conhecida.

A distribuição intracelular de colesterol não esterificado entre várias organelas celulares é determinada por vários mecanismos, incluindo inversão da transbamada, estabilização em microdomínios de membrana por interações com lipídios (e talvez proteínas), enriquecimento ou exclusão de vesículas de transporte à medida que se formam e ligação a proteínas transportadoras difusíveis em no citoplasma e dentro de organelas intracelulares. Alguns desses mecanismos de transporte envolvem movimento passivo do colesterol descendo um gradiente de energia livre, mas outros requerem energia metabólica para superar as barreiras cinéticas ou para mover o colesterol para cima em um gradiente. O transporte de colesterol de uma organela para outra pode ser realizado por combinações desses mecanismos, que operam em paralelo dentro da célula. Os mecanismos e a regulação das vias complexas resultantes ainda são apenas parcialmente compreendidos. O progresso futuro exigirá uma melhor compreensão das vias de transporte, incluindo uma descrição cinética e morfológica do movimento do colesterol, bem como uma descrição mais completa das proteínas que controlam os principais eventos nas várias vias.

Somos gratos a Timothy McGraw e Mingming Hao pela leitura do manuscrito. Este trabalho foi financiado por doações do NIH (DK-27083) e da Ara Parseghian Medical Research Foundation. D. Wüstner é apoiado por uma bolsa de pós-doutorado da Fundação Charles H. Revson. As limitações de espaço impediram a referência a uma série de estudos importantes. Referências adicionais podem ser encontradas na lista de leituras sugeridas disponível em www.jci.org/cgi/content/full/110/07/891/DC1.

Conflito de interesses: Nenhum conflito de interesse foi declarado.

Abreviações não padronizadas usadas: retículo endoplasmático (ER) compartimento de reciclagem endocítica (ERC) proteína de ligação a elemento de esterol (SREBP) proteína ativadora de clivagem de SREBP (SCAP) membrana resistente a detergente (DRM) ordenado líquido (Lo) deidroergosterol (DHE) ultravioleta (UV) de rábano peroxidase (HRP) proteína reguladora aguda esteroidogênica (StAR) transferência de lipídios relacionada a StAR (START) rede trans-Golgi (TGN) Niemann-Pick C1 (NPC1).


Assista o vídeo: Transporte vesicular: formación y fusión de vesículas (Outubro 2022).