BIOQUÍMICA - MEMBRANA PLASMÁTICA

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ME��R��� �LA��ÁT���
O envoltório das células é conhecido como
membrana plasmática, uma bicamada de lipídeos
associados com proteínas.
Suas propriedades diferem das outras
bicamadas conhecidas, mesmo que atue como
uma barreira para impedir que o conteúdo celular
extravase e se misture com o do meio circundante
(permite que sua composição interior seja diferente
do seu ambiente).
Para
facilitar as trocas,
a membrana
possui canais
altamente
seletivos e
proteínas
transportadoras
que permitem a
importação e
exportação de
pequenas
moléculas e íons específicos.
Outras proteínas da membrana atuam como
sensores, ou receptores, e permitem que a célula
receba informações sobre alterações no seu
ambiente e responda de modo adequado.
As células eucarióticas possuem dentro de
si, organelas limitadas por membranas, que
delimitam e impedem que o determinado
conteúdo se misture. Essas membranas internas
formam diversas organelas como o retículo
endoplasmático, o aparelho de Golgi e as
mitocôndrias, mas, mesmo tendo a base similar, há
diferenças nas suas composições. O núcleo e a
mitocôndria são delimitados por uma bicamada.
Independente do local, todas as
membranas são constituídas por uma estrutura
geral em comum: bicamada lipídica (barreira para a
permeabilidade da maior parte das moléculas
solúveis em água. As proteínas irão realizar as
demais funções e determinar as características
específicas a diferentes membranas.
BI����DA
LI���C�
As células são
preenchidas e
cercadas por
água e a
estrutura da
membrana é
determinada
pelo
comportamento dos lipídeos de membrana em
ambientes aquosos.
As membranas lipídicas formam bicamadas na
água
Os lipídeos da membrana combinam duas
propriedades distintas: cada lipídio possui uma
cabeça hidrofílica e uma hidrofóbica.
os lipídeos mais abundantes são os
fosfolipídeos, que apresentam cabeça hidrofílica
contendo um fosfato ligado a um par de caudas
hidrofóbicas. A fosfatidilcolina
é uma pequena molécula de
colina ligada a um grupo fosfato
como sua cabeça hidrofílica.
Moléculas que são
hidrofóbicas e hidrofílicas são
chamadas de anfipáticas,
propriedade compartilhada
com outros tipos de lipídeos de
membrana, como o colesterol, os glicolipídeos.
As moléculas hidrofílicas se dissolvem
rapidamente na água, uma vez que contém grupos
carregados ou grupos polares não carregados que
podem formar interações eletrostáticas ou ligações
de hidrogênio com as moléculas de água. Já as
moléculas hidrofóbicas são insolúveis em água,
pois seus átomos, em sua maioria, não possuem
carga ou são apolares, logo, não podem formar
interações favoráveis com moléculas de água. As
moléculas anfipáticas estão submetidas a duas
forças contraditórias: a cabeça hidrofílica que é
atraída pela água e a cauda hidrofóbica sendo
repelida pela água e se agregando com outras
moléculas hidrofóbicas.
A formação da bicamada lipídica resolve as
diferenças e promove um arranjo energeticamente
favorável. As cabeças hidrofílicas permanecem
expostas à água nas duas superfícies da bicamada,
mas as caudas hidrofóbicas ficam protegidas da
água e justapostas no interior.
Qualquer ruptura cria uma extremidade livre
que fica exposta a água, de forma energeticamente
desfavorável, logo, as moléculas se rearranjam de
maneira espontânea para eliminar a extremidade
livre. Se a ruptura for pequena, o rearranjo irá
excluir as moléculas água e reparar a bicamada. Se
a ruptura for grande, a lâmina pode dobrar-se
sobre ela mesma e se quebrar em pequenas
vesículas
fechadas. Em
ambos os
casos, as
extremidades
livres são
rapidamente
eliminadas.
Essa não
ocorrência de
extremidades
livres gera uma
consequência
que é formar
uma esfera
fechada, logo,
as moléculas
anfipáticas se
arranjam em compartimentos auto selantes
fechados. Esse comportamento é a essência da
estrutura de cada célula, hidrofílica em uma das
terminações e hidrofóbica na outra.
A bicamada lipídica é um líquido bidimensional
flexível
O ambiente aquoso evita que os lipídios da
bicamada escapem, mas nada impede que esses
lipídios se movam e troquem de lugar um com os
outros no plano da bicamada. Logo, a membrana
se comporta como um líquido bidimensional que
ajuda na função e mantém sua integridade.
A bicamada é flexível, logo, tem a
capacidade de se curvar. Essa flexibilidade ajuda
na função da membrana.
Alguns tipos de movimentos são raros e
outros mais comuns e rápidos. As moléculas de
uma bicamada raramente trocam de posição na
sua monocamada para a outra. Esse evento é
chamado de flip-flop.
O resultado desses movimentos térmicos
aleatórios, as moléculas de lipídios trocam de lugar
com as moléculas adjacentes continuamente da
mesma camada. Isso medeia a difusão lateral
rápida de moléculas lipídicas no plano de cad
monocamada.
Os lipídios também se curvam em suas
caudas hidrocarbonadas e giram rapidamente ao
longo do seu eixo.
A fluidez da bicamada lipídica depende da sua
composição
A fluidez (facilidade com que as moléculas
lipídicas se movem no plano da bicamada)
importante para as funções da membrana. O quão
fluida depende da sua composição de fosfolipídios
e da natureza das caudas hidrocarbonadas (mais
próxima e mais regular no empacotamento das
caudas, mais viscosa e menos fluida será a
bicamada).
Duas propriedades importantes que afetam
o grau de empacotamento da bicamada é seu
comprimento e o número de ligações duplas que
apresentam. Cadeias mais curtas reduzem a
tendência de formação de interações entre as
caudas hidrocarbonadas,
aumentando assim, a fluidez.
A maioria dos fosfolipídeos
possuem uma cauda
hidrocarbonada com uma ou mais
ligações duplas entre os átomos
de carbono adjacentes, e a outra
cauda com apenas ligações
simples.
Cada ligação dupla em
uma cauda insaturada cria uma pequena dobra
que deixa mais difícil o empacotamento das
caudas umas contra as outras e, por isso, uma
bicamada que contém uma grande proporção de
caudas hidrocarbonadas insaturadas será mais
fluida do que as que possuem menores
proporções.
A fluidez é modulada pela inclusão de
moléculas de esterol colesterol que, quando
presentes em grande quantidade preenchem os
espaços vazios entre as moléculas vizinhas de
fosfolipídeos,originados pelas dobras das suas
caudas hidrocarbonadas insaturadas. Por serem
pequenos e rígidos, o colesterol torna a bicamada
mais rígida, menos flexível e menos permeável.
A fluidez da membrana é importante para
permitir a rápida difusão de muitas proteínas de
membrana no plano de bicamada e a sua interação
com outras proteínas. Além disso, ajuda na difusão
de lipídeos e proteínas dos locais da membrana
nos quais são inseridos logo após sua síntese para
outras regiões da célula. Por fim, garantem que
todas as moléculas da célula sejam distribuídas
homogeneamente.
A formação da membrana
inicia-se no retículo
endoplasmático
Novos fosfolipídeos são
sintetizados por enzimas ligadas à
superfície citosólica do retículo
endoplasmático.
Com o uso de ácidos graxos
livres como substrato, as enzimas
se inserem os fosfolipídeos
recém-sintetizados exclusivamente na metade
citosólica da bicamada.
As membranas crescem de modo
homogêneo.
A transferência espontânea de lipídios
ocorre raramente quando é de uma monocamada
para a outra. Essa transferência é catalisada pela
enzima scramblases , que realizam essa alteração
aleatória dos
fosfolipídeos
específicos de
uma metade de
uma bicamada
e se inserem em
outra metade.
Como resultado,
os fosfolipídeos
são
redistribuídos
igualmente
entre as
monocamadas
da membrana
do RE e, parte
dessa
membrana
recém formada
será utilizada
em segmentos
novos da
membrana e
outra parte se
manterá no RE.
Certos fosfolipídeos estão confinados a um lado da
membrana
A maior parte da membrana é assimétrica e
apresentam conjuntos diferentes de fosfolipídeos.
As flipases são responsáveis por removerem
fosfolipídeos específicos da metade da bicamada
voltada para o espaço externo e introduzir na
monocamada voltada para o citosol. Essa ação
inicia e mantém o conjunto assimétrico de
fosfolipídeos que é característicodas membranas
das células animais.
A assimetria é preservada quando as
membranas brotam de uma organela e se
fundem com a outra. A orientação das proteínas
na bicamada é essencial para a sua função.
Os glicolipídeos são aqueles com uma
distribuição mais assimétrica e apenas na metade
não citosólica da bicamada. Seu grupo de açúcar
é voltado para o exterior (revestimento contínuo
de carboidratos que protegem as células) e é
adquirido no aparelho de Golgi.
P�O��ÍN�� �E M���R��A
A maior parte das funções da membrana
são desempenhadas pelas proteínas de
membrana. Essas realizam funções como
transporte, ancoragem, recepção e enzimas. E
cada tipo de célula irá conter um conjunto
diferentes de proteínas que refletem as funções
especializadas de cada tipo de membrana em
particular.
As proteínas de membrana se associam à
bicamada lipídica de formas diferentes
Proteínas transmembrânicas: proteínas
anfipáticas, ou seja, com regiões hidrofílicas
e hidrofóbicas, que se estendem pela
bicamada, com parte da sua massa nos dois
lados da bicamada.
Associadas a monocamada: proteínas que
estão quase inteiramente no citosol e que
se associam com metade da camada, por
meio de uma alfa hélice anfipática exposta
na superfície da proteína
Ligadas a lipídeos: proteínas que são
externas a camada de ambos os lados,
porém são conectadas à membrana por
meio de um ou mais grupos lipídicos
covalentemente ligados
Ligado a proteínas: proteínas ligadas indiretamente
a uma das faces da membrana ou à outra,
mantidas no lugar por meio de interações com
outras proteínas de membrana
As proteínas que estão diretamente
associadas a bicamada lipídica só podem ser
removidas com detergentes. Essas são as
proteínas integrais de membrana. As outras
proteínas são conhecidas como proteínas
periféricas de membrana, pois são liberadas da
membrana por procedimentos de extração mais
amenos, que afetam interações proteína-proteína,
porém, deixam a camada intacta.
Uma cadeia polipeptídica geralmente atravessa a
bicamada lipídica como uma alfa-hélice
Todas as proteínas possuem uma única
orientação na bicamada e isso é essencial para a
sua função. Essa orientação é consequência do
modo como as proteínas de membrana são
sintetizadas. Na face externa são conectados
segmentos especializados que transpassam a
membrana e, no interior da bicamada, os
segmentos são compostos principalmente por
aminoácidos de cadeias laterais hidrofóbicas.
Como as cadeias laterais não formam
interações favoráveis com as moléculas de
água, elas preferem interagir com as caudas
hidrofóbicas, onde a água está ausente.
As ligações peptídicas que unem
aminoácidos sucessivos em uma proteína são
normalmente polares e tornam hidrofílica a
cadeia principal do polipeptídeo. A cadeia
principal forma ligações de hidrogênio uns com
os outros no interior da hélice.
Em muitas proteínas transmembrânicas
a cadeia polipeptídica atravessa a membrana
apenas uma vez e várias dessas proteínas de
passagem única são receptores de sinais
extracelulares. Outras proteínas
transmembrânicas atuam como canais (poros
aquosos transversais) que permitem a passagem
de diversas substâncias. Esses canais não podem
ser formados por proteínas com uma única
alfa-hélice
transmembrânica, ao
contrário, são
compostos por uma
série de alfa-hélices
que cruzam a
bicamada diversas
vezes.
As proteínas
transmembrânicas de
passagens múltipla
tem regiões que atravessam uma ou mais regiões
da membrana e são anfipáticas. São formadas por
alfa-hélices que contêm cadeias laterais de
aminoácidos hidrofóbicas e hidrofílicas. Os
aminoácidos estão dispostos de modo que as
cadeias laterais hidrofóbicas ficam de um lado da
hélice e as cadeias hidrofílicas se concentram do
outro lado da hélice.
Em ambientes hidrofóbicos as alfa-hélices
tendem a se agruparem formando um anel, com as
cadeias laterais hidrofóbicas expostas aos lipídeos
da membrana e as cadeias hidrofílicas formando a
superfície interna do canal hidrofílico que
transpassa a bicamada.
Em algumas proteínas pode ter uma folha
beta enrolada em um cilindro, formando uma
estrutura oca denominada barril beta, com as
cadeias laterais de aminoácidos voltadas para o
interior do barril e delimitando, assim, o canal de
água.
As mitocôndrias são revestidas por porinas
que permitem a passagem de pequenos
nutrientes, metabólitos e íons inorgânicos através
da membrana externa, enquanto impede a
passagem de moléculas maiores indesejadas.
As proteínas de membrana podem ser
solubilizadas com detergentes
As proteínas das membranas são
arranjadas de forma que operam em ambientes
parcialmente aquosos e lipídicos.
Para estudar as proteínas, elas primeiro
devem ser separadas das demais. Primeiro deve
solubilizar a membrana por agentes que
desfazem a bicamada lipídica rompendo suas
associações hidrofóbicas. Nesse processo foi
usado detergente. As pequenas moléculas
anfipáticas e semelhantes a lipídeos diferem dos
fosfolipídeos de membrana por apresentarem
apenas uma única cauda hidrofóbica. Devido a
essa cauda, o detergente apresenta um formato
cônico no qual a água tende a se agregar em
pequenos conjuntos chamados micelas, tendo um
formato mais cilíndrico.
Detergentes em grandes quantidades,
quando misturado na membrana, tem sua cauda
hidrofóbica interagem com o detergente,
rompendo a estrutura da bicamada e separando as
proteínas dos fosfolipídeos.
A membrana plasmática é reforçada pelo córtex
celular subjacente
A membrana celular é extremamente frágil
e dina. Logo, muitas membranas são reforçadas e
sustentadas por um arcabouço de proteínas
ligadas à membrana por meio das proteínas
transmembrânicas.
A membrana plasmática é estabilizada por
uma rede de proteínas fibrosas, o córtex celular,
que se liga à face interna da membrana. Nos
humanos, esse córtex é simples e tem sido muito
estudado.
São células
pequenas
com
formato
achatado e
tendo,
como
principal
componente, a proteína dimérica espectrina, longa,
fina e flexível. Essa proteína suporta a membrana e
mantém o formato dela. A rede de espectrina é
conectada à membrana por meio de proteínas
intracelulares.
Uma célula pode restringir o movimento de suas
proteínas de membrana
Como a membrana é um líquido
bidimensional, ela pode se mover livremente. para
as proteínas ficarem no lugar que devem, a
membrana tem mecanismos de confinamento de
proteínas específicas em certas áreas. criando
regiões especializadas (domínios de membrana),
na superfície da célula ou de organelas.
As proteínas de membrana plasmática
podem se prender a estruturas extracelulares.
Podem, também, criar barreiras que restrinjam
componentes da membrana a um domínio
específico.
A distribuição assimétrica é mantida pela
barreira formada pela linha de junção de células
epiteliais adjacentes, chamada junção compacta.
Nesses locais, as proteínas de junção
especializadas formam um cinturão ao redor da
célula, onde tem contato com as células vizinhas,
criando um local de selamento entre as
membranas plasmáticas adjacentes. As proteínas
de membrana não podem se difundir por essas
junções.
A superfície celular é revestida por carboidratos
Alguns lipídeos da camada externa da
membrana possuem açúcares covalentemente
ligados a eles. A maior parte são pequenas cadeias,
os oligossacarídeos, que
são denominados
glicoproteínas.
Os
proteoglicanos possuem
uma ou mais cadeias
polissacarídicas longas
que ficam na face
externa da membrana,
onde há um revestimento
de açúcar (camada de carboidratos ou
glicocálice).
Essa camada irá ajudar na proteção da
superfície celular contra danos mecânicos.
Conforme esses oligo e polissacarídeos absorvem
água, a superfície fica lubrificada e isso auxilia a
célula a se deslocar em espaços pequenos,
evitando adesão das células sanguíneas entre si ou
à parede de vasos sanguíneos.
Possuem papel importante no
reconhecimento e na adesão celular. As lectinas
são especializadas na ligação a cadeias laterais
específicas de oligossacarídeos. Essas cadeias
laterais são curtas, porém, muito diversificadas,
pois os açúcares podemse ligar em diversos
arranjos, utilizando ligações covalentes distintas.
Essa camada é caracterizada por permitir o
reconhecimento celular, uma vez que é diferente
para cada célula.
QU���Õ�S ��É - C�A�S�
1. Qual a composição da membrana
plasmática? Quais as funções dos lipídios,
proteínas e açúcares da membrana?
2. O que significam, o que determinam e qual
a importância de algumas de suas
características como: fluidez, assimetria,
diferença de potencial eletroquímico?
3. Das proteínas presentes na membrana, o
que são e como funcionam os
transportadores, âncoras, receptores,
enzimas.
4. Tomando como exemplo a diapedese do
neutrófilo, qual a importância dos
carboidratos presentes na membrana
plasmática?
5. Que tipo de moléculas atravessa
diretamente a bicamada lipídica?
6. O que é gradiente de concentração? Quais
as formas de transporte a favor do
gradiente? E contra? como funcionam os
transportes acoplados.
7. Qual a importância das bombas de Na/K
(pense na célula intestinal), da bomba de H+
(pense no lisossomo), da bomba de Ca
(pense na célula muscular).
8. Procure depois de estudar fazer o seguinte
exercício mental: o que aconteceria com
uma célula e com o paciente dono desta
célula se não funcionasse esta proteína de
membrana? Esta enzima de membrana? se
este lipídeo não existisse na membrana? etc.
QU����S �O ��S�� �E�
CO���C��E�T�
QUESTÃO 11-7 Descreva os diferentes métodos
que as células utilizam para restringir as proteínas a
regiões específicas da membrana plasmática. Uma
membrana com diversas proteínas com movimento
restrito ainda é fluida?
QUESTÃO 11-8 Quais das seguintes sentenças
estão corretas? Justifique sua resposta.
A. Os lipídios da bicamada lipídica giram
rapidamente em torno de seu eixo longo.
B. Os lipídios da bicamada lipídica trocam de
posição rapidamente uns com os outros na mesma
monocamada.
C. Os lipídios da bicamada lipídica não fazem
movimentos de flip-flop de uma monocamada
para a outra.
D. As ligações de hidrogênio que se formam entre
grupos cabeça dos lipídeos e moléculas de água
são continuamente quebradas e novamente
formadas.
E. Os glicolipídeos se deslocam entre diferentes
compartimentos delimitados por membranas
durante sua síntese, mas permanecem restritos a
uma das faces da bicamada lipídica.
F. A margarina contém mais lipídios saturados do
que os óleos vegetais dos quais é feita.
G. Algumas proteínas de membrana são enzimas.
H. A camada de açúcar que recobre as células as
torna células mais viscosas.
QUESTÃO 11-9 O que significa o termo “líquido
bidimensional”?
QUESTÃO 11-10 A estrutura da bicamada lipídica é
determinada pelas propriedades particulares das
suas moléculas lipídicas. O que aconteceria se:
A. Os fosfolipídeos tivessem apenas uma cauda
hidrocarbonada, e não duas?
B. As caudas hidrocarbonadas fossem mais curtas
do que o normal, digamos com o comprimento de
10 átomos de carbono?
C. Todas as caudas hidrocarbonadas fossem
saturadas?
D. Todas as caudas hidrocarbonadas fossem
insaturadas?
E. A bicamada contivesse uma mistura de dois
tipos de moléculas fosfolipídicas, um tipo com as
duas caudas hidrocarbonadas saturadas e o outro
com as duas caudas hidrocarbonadas insaturadas?
F. Cada molécula de fosfolipídio fosse ligada de
modo covalente pelo átomo de carbono terminal
de uma das suas caudas hidrocarbonadas à cauda
de um fosfolipídio da monocamada oposta?
QUESTÃO 11-11 Quais são as diferenças entre as
moléculas fosfolipídicas e as moléculas de
detergente? Qual modificação precisaria ser feita
em uma molécula fosfolipídica para que se torne
um detergente?
QUESTÃO 11-13 Por que a membrana plasmática
dos eritrócitos precisa de proteínas
transmembrânicas?