Estrutura e Função Celular

Grande Ideia 4 — Interações de Sistemas (SYI): Sistemas biológicos interagem, e esses sistemas e suas interações exibem propriedades complexas.

Objetivo de Aprendizagem 2.1.A: Explicar como a estrutura e a função de componentes subcelulares e organelas contribuem para a função das células.

• 2.1.A.1 Ribossomos são compostos por RNA ribossômico (rRNA) e proteínas. Essas estruturas subcelulares sem membrana estão presentes em células em todas as formas de vida e refletem a ancestralidade comum em toda a vida conhecida. Ribossomos sintetizam proteínas de acordo com sequências de RNA mensageiro (mRNA).
• 2.1.A.2 O sistema endomembranoso consiste em um grupo de organelas e componentes subcelulares envolvidos em membrana (retículo endoplasmático (RE), complexo de Golgi, lisossomos, vacúolos e vesículas de transporte, envelope nuclear e membrana plasmática) que trabalham juntos para modificar, empacotar e transportar polysaccharides, lipídios e proteínas intracelularmente.
• 2.1.A.3 O retículo endoplasmático fornece suporte mecânico ajudando as células a manterem a forma e desempenha um papel no transporte intracelular.
  • i. RE rugoso está associado a ribossomos ligados a membrana, permite a compartimentalização de células e ajuda a realizar a síntese proteica.
  • ii. As funções do RE liso incluem a detoxificação de células e a síntese de lipídios.
  • Declaração de exclusão: Conhecimento das funções específicas do RE liso em células especializadas está fora do escopo do Exame AP.
• 2.1.A.4 O complexo de Golgi é uma estrutura envolvida em membrana que consiste em uma série de sacos de membrana achatados. Funções do complexo de Golgi incluem:
  • i. Dobrar corretamente e modificar quimicamente produtos celulares recém-sintetizados
  • ii. Empacotar proteínas para tráfego
  • Declaração de exclusão: Conhecimento do papel do complexo de Golgi na síntese de fosfolipídios específicos e no empacotamento de enzimas específicas para lisossomos, peroxissomas e vesículas secretoras está fora do escopo do Exame AP.
  • Exemplos ilustrativos para 2.1.A.4:
    • Glicosilação e outras modificações químicas de proteínas que ocorrem no complexo de Golgi e determinam a função ou o direcionamento proteico
• 2.1.A.5 As mitocôndrias possuem uma membrana dupla que fornece compartimentos para diferentes reações metabólicas envolvidas na respiração celular aeróbica. A membrana externa é lisa, enquanto a membrana interna é altamente convoluta, formando pregas que permitem a síntese de ATP de forma mais eficiente.
• 2.1.A.6 Os lisossomos são sacos envoltos por membrana que contêm enzimas hidrolíticas capazes de digerir materiais. Os lisossomos também desempenham um papel na morte celular programada (apoptose).
• 2.1.A.7 As vacúolos são sacos limitados por membrana que desempenham diversos papéis.
  • i. Em células vegetais, um grande vacúolo especializado mantém a pressão de turgor através do armazenamento de nutrientes e água.
  • ii. Em células animais, os vacúolos são menores em tamanho, mais abundantes do que nas células vegetais e armazenam materiais celulares.
• 2.1.A.8 Os cloroplastos são organelas especializadas encontradas em plantas e algas fotossintetizantes. Os cloroplastos contêm uma membrana dupla e servem como local para a fotossíntese.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.2.A: Explicar o efeito das relações área superficial/volume sobre a troca de materiais entre células ou organismos e o ambiente.

• 2.2.A.1 As relações área superficial/volume afetam a capacidade de um sistema biológico de obter nutrientes necessários, eliminar produtos de resíduos, adquirir ou dissipar energia térmica e realizar trocas químicas e energéticas com o ambiente.
  • Equações relevantes:
    • Volume de uma Esfera: $V = \dfrac{4}{3}\pi r^3$
    • Volume de um Cubo: $V = s^3$
    • Volume de um Sólido Retangular: $V = lwh$
    • Volume de um Cilindro: $V = \pi r^2 h$
    • Área Superficial de uma Esfera: $SA = 4\pi r^2$
    • Área Superficial de um Cubo: $SA = 6s^2$
    • Área Superficial de um Sólido Retangular: $SA = 2lh + 2lw + 2wh$
    • Área Superficial de um Cilindro: $SA = 2\pi rh + 2\pi r^2$
    • $r$ = raio
    • $l$ = comprimento
    • $h$ = altura
    • $w$ = largura
    • $s$ = comprimento de um lado de um cubo
  • Exemplos ilustrativos para 2.2.A.1:
    • Relações SA/V e Trocas
      • Pelos radiculares
      • Células-guarda
      • Células epiteliais intestinais
    • Cílios
    • Estômatos
• 2.2.A.2 A área superficial da membrana plasmática deve ser suficientemente grande para trocar adequadamente materiais.
  • i. A relação área superficial/volume pode restringir o tamanho e a forma da célula. Células menores geralmente possuem uma maior relação área superficial/volume, bem como uma troca de materiais mais eficiente com o ambiente do que células maiores.
  • ii. À medida que as células aumentam de volume, a relação área superficial/volume diminui e a demanda por recursos internos aumenta.
  • iii. Estruturas celulares mais complexas (ex.: pregas de membrana) são necessárias para trocar adequadamente materiais com o ambiente.
  • iv. À medida que os organismos aumentam de tamanho, sua relação área superficial/volume diminui, afetando propriedades como a taxa de troca de calor com o ambiente. Menores quantidades de massa trocam proporcionalmente mais calor com o ambiente externo do que massas maiores. À medida que a massa aumenta, tanto a relação área superficial/volume quanto a taxa de troca de calor diminuem.
  • v. Existe uma relação entre a taxa metabólica por unidade de massa corporal e o tamanho de organismos multicelulares; tipicamente, quanto menor o organismo, maior a taxa metabólica por unidade de massa corporal.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.3.A: Descrever os papéis de cada componente da membrana celular na manutenção do ambiente interno da célula.

• 2.3.A.1 Fosfolipídios possuem regiões hidrofílicas e hidrofóbicas. As regiões polares hidrofílicas fosfato dos fosfolipídios estão orientadas para o ambiente aquoso externo ou interno, enquanto as regiões apolares hidrofóbicas de ácidos graxos voltam umas para as outras no interior da membrana.
• 2.3.A.2 Proteínas embutidas podem ser hidrofílicas (com grupos laterais carregados e polares), hidrofóbicas (com grupos laterais apolares) ou ambas.
  • i. Regiões hidrofílicas das proteínas ficam ou no interior da própria proteína ou expostas ao citosol (citoplasma).
  • ii. Regiões hidrofóbicas das proteínas compõem a superfície proteica que interage com os ácidos graxos no interior da membrana.

Objetivo de Aprendizagem 2.3.B: Descrever o modelo do mosaico fluido das membranas celulares.

• 2.3.B.1 As membranas plasmáticas consistem em uma estrutura de moldura composta por moléculas de fosfolipídios embutidas com proteínas, esteroides (como colesterol em animais vertebrados), glicoproteínas e glicolipídios. Todos esses componentes podem se mover ao redor da superfície da célula dentro da membrana, conforme ilustrado pelo modelo do mosaico fluido.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.4.A: Explicar como a estrutura das membranas biológicas influencia a permeabilidade seletiva.

• 2.4.A.1 As membranas plasmáticas separam o ambiente interno da célula do ambiente externo. A permeabilidade seletiva é resultado da membrana plasmática possuir um interior hidrofóbico.
• 2.4.A.2 Moléculas pequenas e apolares, incluindo $\mathrm{N_2}$, $\mathrm{O_2}$ e $\mathrm{CO_2}$, atravessam livremente a membrana. Substâncias hidrofílicas, como grandes moléculas polares e íons, atravessam a membrana através de canais embutidos e proteínas transportadoras.
• 2.4.A.3 As caudas hidrocarbonetos apolares dos fosfolipídios impedem o movimento de íons e moléculas polares através da membrana. Pequenas moléculas polares não carregadas, como $\mathrm{H_2O}$ ou $\mathrm{NH_3}$ (amoníaco), atravessam a membrana em pequenas quantidades.

Objetivo de Aprendizagem 2.4.B: Descrever o papel da parede celular na manutenção da estrutura e função celular.

• 2.4.B.1 Paredes celulares de Bactérias, Arqueias, Fungos e plantas fornecem uma fronteira estrutural, além de uma barreira de permeabilidade para algumas substâncias nos ambientes celulares internos ou externos e proteção contra lise osmótica.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.5.A: Descrever os mecanismos que os organismos utilizam para manter o equilíbrio de solutos e água.

• 2.5.A.1 A permeabilidade seletiva das membranas permite a formação de gradientes de concentração de solutos através da membrana.
• 2.5.A.2 Transporte passivo é o movimento líquido de moléculas de regiões de alta concentração para regiões de baixa concentração sem o input direto de energia metabólica.
• 2.5.A.3 Transporte ativo requer o input direto de energia para mover moléculas. Em alguns casos, o transporte ativo é utilizado para mover moléculas de regiões de baixa concentração para regiões de alta concentração.

Objetivo de Aprendizagem 2.5.B: Descrever os mecanismos que os organismos utilizam para transportar grandes moléculas através da membrana plasmática.

• 2.5.B.1 Os processos de endocitose e exocitose exigem energia para mover grandes substâncias ou grandes quantidades de substâncias para dentro e para fora das células.
  • i. Na endocitose, a célula absorve grandes moléculas e matéria particulada dobrando a membrana plasmática sobre si mesma e formando novas vesículas (pequenas) que englobam material do ambiente externo.
  • ii. Na exocitose, vesículas internas liberam material das células fundindo-se com a membrana plasmática e secretando grandes moléculas da célula.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.6.A: Explicar como a estrutura de uma molécula afeta sua capacidade de atravessar a membrana plasmática.

• 2.6.A.1 A difusão facilitada requer proteínas transportadoras ou de canal para permitir o movimento de íons carregados através da membrana.
  • i. As membranas podem se polarizar pelo movimento de íons através da membrana.
  • ii. Íons carregados, incluindo $\mathrm{Na^+}$ (sódio) e $\mathrm{K^+}$ (potássio), requerem proteínas de canal para atravessar a membrana.
• 2.6.A.2 A difusão facilitada permite o movimento de grandes moléculas polares através de membranas sem entrada de energia. Neste tipo de difusão, as substâncias se movem a favor do gradiente de concentração.
• 2.6.A.3 Aquaporinas transportam grandes quantidades de água através de membranas.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.7.A: Explicar como gradientes de concentração afetam o movimento de moléculas através de membranas.

• 2.7.A.1 Ambientes externos podem ser hipotônicos, hipertônicos ou isotônicos em relação aos ambientes internos das células. O movimento da água também pode ser descrito como movendo-se de regiões hipotônicas para regiões hipertônicas. A água move-se por osmose de regiões de alto potencial hídrico para regiões de baixo potencial hídrico.
  • Equação (Potencial Hídrico): $\psi = \psi_p + \psi_s$
    • onde:
    • $\psi_p$ = potencial de pressão
    • $\psi_s$ = potencial de soluto
  • Exemplos ilustrativos para 2.7.A.1:
    • Vacúolo contrátil em protistas
    • Vacúolo central em células vegetais

Objetivo de Aprendizagem 2.7.B: Explicar como mecanismos osmorregulatórios contribuem para a saúde e sobrevivência dos organismos.

• 2.7.B.1 O crescimento e a homeostase são mantidos pelo movimento constante de moléculas através das membranas.
• 2.7.B.2 A osmorregulação mantém o equilíbrio hídrico e permite aos organismos controlar sua composição interna de solutos e potencial hídrico. A água move-se de regiões de baixa osmolaridade ou concentração de solutos para regiões de alta osmolaridade ou concentração de solutos.
  • Equação (Potencial de Soluto de uma Solução): $\psi_s = -iCRT$
    • onde:
    • $i$ = constante de ionização
    • $C$ = concentração molar
    • $R$ = constante de pressão $\left(R = 0.0831 \dfrac{L \cdot bars}{mol \cdot K}\right)$
    • $T$ = temperatura em Kelvin (°C + 273)

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.8.A: Descrever os processos que permitem que íons e outras moléculas se movam através das membranas.

• 2.8.A.1 Energia metabólica (como a derivada do ATP) é necessária para o transporte ativo de moléculas através da membrana e para estabelecer e manter gradientes eletroquímicos.
  • i. Proteínas de membrana são necessárias para o transporte ativo.
  • ii. A bomba $\mathrm{Na^+}/\mathrm{K^+}$ e as ATPases contribuem para a manutenção do potencial de membrana.

Grande Ideia 2 — Energetica (ENE): Sistemas biológicos usam energia e blocos de construção moleculares para crescer, reproduzir-se e manter a homeostase dinâmica.

Objetivo de Aprendizagem 2.9.A: Descrever as estruturas ligadas a membranas da célula eucariota.

• 2.9.A.1 Membranas e organelas ligadas a membranas em células eucariotas compartmentalizam processos metabólicos intracelulares e reações enzimáticas específicas.

Objetivo de Aprendizagem 2.9.B: Explicar como as membranas internas e organelas ligadas a membranas contribuem para a compartimentalização das funções da célula eucariota.

• 2.9.B.1 As membranas internas facilitam os processos celulares minimizando interações concorrentes e aumentando a área de superfície onde as reações podem ocorrer.

Grande Ideia 1 — Evolução (EVO): O processo de evolução impulsiona a diversidade e a unidade da vida.

Objetivo de Aprendizagem 2.10.A: Descrever semelhanças e/ou diferenças na compartimentalização entre células procarióticas e eucarióticas.

• 2.10.A.1 Organelas delimitadas por membrana, como as mitocôndrias e os cloroplastos, evoluíram a partir de células procarióticas anteriormente livres, por meio da endossimbiose.
• 2.10.A.2 Procariotos geralmente carecem de organelas internas delimitadas por membrana, mas possuem regiões internas com estruturas e funções especializadas.
• 2.10.A.3 Células eucarióticas mantêm membranas internas que particionam a célula em regiões especializadas.