QUANDO A BIOLOGIA SE JUNTA A GEOMETRIA: DESCREVENDO A GEOMETRIA DA ESTRUTURA CELULAR COMUM.

A arquitetura imita a vida, pelo menos quando se trata dessas rampas em espiral em parques de estacionamento de vários andares. Empilhados e os níveis de ligação paralelas, as rampas são repetições de estruturas helicoidais encontradas na membrana de uma estrutura ubíqua nas células do corpo.

Rendição do artista de Terasaki espiral rampas, hélices que se conectam pilhas de folhas uniformemente espaçados no retículo endoplasmático rugoso. Crédito: Jemal Guven

Concepção do artista de Terasaki das rampas em espiral, hélices que se conectam em pilhas de folhas uniformemente espaçados no retículo endoplasmático rugoso. Crédito: Jemal Guven

Rampas Terasaki copiados após sua invenção, elas residem em uma organela denominada retículo endoplasmático (ER), uma rede de membranas encontradas em todas a célula e ligada ao em torno do núcleo da célula. Agora, um trio de cientistas, incluindo UC Santa Barbara o físico biológico Greg Huber, descrevem a geometria do ER usando a linguagem da física teórica. Seus resultados aparecem em versão impressa na Physical Review Letters.

“Nosso trabalho levanta hipóteses sobre a forma particular destas organelas, com base nas interações com as rampas de Terasaki”, disse Huber, que é vice-diretor do Instituto Kavli de UCSB de Física Teórica. “Um físico gostaria de dizer que há uma razão para a forma da membrana, que não é apenas um acidente. Então, por entender melhor a física responsável pela forma, pode-se começar a pensar em outras questões não resolvidas, inclusive como sua forma se relaciona com a sua função, no caso de doença, a sua disfunção”.

O RE rugoso consiste em um certo número de pilhas mais ou menos regulares semelhante a folhas ligadas uniformemente espaçadas, uma estrutura que reflete a sua função como o chão de fábrica da síntese de proteínas dentro de uma célula. Até recentemente, os cientistas assumiram que as conexões entre folhas adjacentes eram como buracos de minhoca, ou seja, tubos simples.

O ano passado, no entanto, descobriu-se que estas ligações são formadas por rampas em espiral rodando para cima através da pilha de folhas. De acordo com o autor principal Jemal Guven da Universidad Nacional Autônoma del México, isso veio como uma surpresa, porque geometrias espirais nunca tinham sido observadas em membranas biológicas.

O centro desse tubo é descrita por uma curva que forma o limite de uma superfície de matemática (cinzento) descrevendo a folha. Crédito: Cortesia PRL

O centro desse tubo é descrito por uma curva que forma o limite de uma superfície de matemática (cinza) descrevendo a folha. Crédito: Cortesia PRL

Ligado à membrana, ribossomos, que servem como o principal local para a síntese de proteínas, a ER são como carros que povoam uma estrutura de estacionamento densamente. “Os ribossomos tem que estar a uma certa distância, pois caso contrário eles não podem sintetizar proteínas”, explicou Huber.

“Assim, como você pode obter tantos ribossomos por unidade de volume possível, mas não tê-los colidindo uns contra os outros?” Perguntou Huber. “A célula parece ter resolvido o problema com o dobramento das superfícies em camadas que são quase paralelas entre si e permitem uma elevada densidade de ribossomas.”

Diferentes partes do ER têm formas diferentes: uma rede de tubos, uma esfera que circunda o núcleo ou um conjunto de folhas paralelas, como os níveis de uma garagem. O RE liso consiste em uma rede tubular de membranas reunidos em três vias de cruzamentos. Estas junções são também o local da síntese de lipídios (ou seja, das membrana). À medida que novos lipídios são produzidos dentro do RE liso, eles se acumulam nestes cruzamentos, eventualmente para a clivagem dos tubos.

No RE rugoso, as superfícies paralelas ou pilhas são conectados por rampas de Terasaki em espiral. Em alguns casos, uma rampa é canhota e a outra destra – é a geometria do estacionamento – é o que Terasaki e colegas (incluindo Huber) encontraram no ano passado.

“Nós propomos que os blocos de construção essenciais dentro da pilha não são rampas em espiral individuais, mas uma “garagem”, organizada em torno de duas rampas suavemente inclinadas, uma das quais é a imagem espelhada do outro, um dipolo”, disse Guven, que foi assistida em sua pesquisa por um de seus alunos, Dulce María Valencia. “Esta arquitetura minimiza energia, e é consistente com a estrutura laminar das pilhas, mas também é estável.”

A 3D-printed model using data from actual endoplasmic reticulum sheets. Credit: Sonia Fernandez

Um modelo impresso em 3D usando dados a partir de folhas retículo endoplasmático reais. Crédito: Sonia Fernandez

Na física, estas estruturas helicoidais se conectam a uma camada do ER com a seguinte, são chamadas de “defeitos”. Essa palavra, Huber observou, não carrega nenhuma conotação negativa neste contexto. “Quando você olha para isso através dos olhos da física, existem certos mecanismos que se sugerem quase que imediatamente”, disse Huber. “A borda de uma folha de ER é uma região de elevado grau de curvatura, porque a folha gira em torno e se dobra. A curva é, na verdade, a única coisa que está formando a hélice.”

A curva cria uma forma de “U” que se parece com a metade de um tubo. Huber e seus colegas aplicaram os princípios da geometria diferencial para esta membrana curva. Puxando as metades de um tubo para além cria uma região plana que mede as duas metades em forma de U, que se tornam parte de uma folha.

“A idéia geométrica é que se pode realmente obter uma folha puxando para além de uma rede de tubos de uma certa maneira”, explicou Huber. “Imagine que cada uma das extremidades em forma de U quer dobrar, mas quando você tentar se conectar aqueles dois U molda juntos, cada um está agora dobrado. Isso é o que a figura está tentando mostrar. Um tubo pode gerar uma folha, se as bordas vierem distantes elas podem dobrar no espaço”.

De acordo com Huber, este trabalho teórico fornece uma história mais profunda e vocabulário mais rico para discutir as formas encontradas no interior das células. “Suspeita-se que sua forma está relacionada com a sua função”, concluiu. “Na verdade, os cientistas sabem que a forma do ER pode ser um indicador de funções anormais observadas em certas doenças.”

Fonte: Phys.Org

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