Bioquimica - Membranas e Transporte

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· Bioquímica: Membranas e Transportes
As membranas definem os limites externos das células e controlam o tráfego de moléculas por essa fronteira. Além de serem flexíveis, autosselantes e têm seletividade para permear solutos polares. Pelo fato de serem seletivamente permeáveis, as membranas retêm certos compostos e íons dentro das células e dentro de compartimentos celulares específicos e excluem outros.
Nesse sentido, as membranas não são barreiras meramente passivas. Elas incluem um arranjo de proteínas especializadas em propiciar ou catalisar vários processos celulares: 
· Na superfície celular, transportadores movem solutos orgânicos e íons inorgânicos específicos de um lado a outro da membrana; receptores captam sinais extracelulares e disparam mudanças moleculares na célula; moléculas de adesão mantêm células vizinhas juntas. 
· Dentro da célula, as membranas organizam processos celulares como a síntese de lipídeos e de certas proteínas, assim como a transdução de energia na mitocôndria e nos cloroplastos. A adesão celular, a endocitose e a fusão de membrana que acompanham a secreção de neurotransmissores servem de exemplo do papel dinâmico das proteínas de membrana, a passagem de solutos mediada por proteínas através da membrana via transportadores e canais iônicos será também será comentado mais adiante.
· Composição da Membrana:
Antes de descrever a estrutura e a função da membrana, cabe analisar os seus componentes moleculares: 
Proteínas e lipídeos polares, que são responsáveis por quase toda a massa das membranas biológicas, e os carboidratos, presentes como parte de glicoproteínas e glicolipídios. Quanto mais colesterol, menos fluida. O colesterol, por ser menor e mais rígido, interage mais fortemente com os lipídeos adjacentes, diminuindo sua capacidade de movimentação.
Componentes da membrana:
Cada tipo de membrana tem proteínas e lipídeos característicos, e a proporção entre eles varia de acordo com o tipo de membrana. 
As células têm mecanismos para controlar os tipos e as quantidades de lipídeos de membrana que elas sintetizam, bem como para direcionar lipídeos específicos a organelas particulares, cada tipo celular tem um tipo característico de lipídeos de membrana. As membranas plasmáticas, por exemplo, são ricas em colesterol e esfingolipídios.
 
A composição proteica das membranas de diferentes origens varia muito mais do que a composição lipídica, um reflexo das funções especializadas que possuem. Por exemplo, algumas proteínas de membrana são ligadas covalentemente a um ou mais lipídeos, que servem como âncoras hidrofóbicas para fixar as proteínas à membrana.
Vale ressaltar que mesmo cada tipo de membrana possua lipídeos característicos, todas as membranas biológicas tem em comum algumas propriedades fundamentais. 
Nesse sentido, a composição proteica das membranas de diferentes origens varia ainda mais amplamente do que a sua composição lipídica, refletindo uma especialização funcional. 
As membranas são impermeáveis para a maioria dos solutos polares ou carregados, mas são permeáveis a compostos apolares, na qual o Modelo do mosaico Fluido explica a estrutura das membranas biológicas, que permitem esse processo.
 Os fosfolipídios formam uma bicamada, na qual as regiões apolares das moléculas lipídicas em cada camada são orientadas para dentro da bicamada e os grupos polares são orientados para fora, na qual interagem com a fase aquosa de cada lado da membrana.
 As proteínas estão mergulhadas nesta folha em bicamada com os domínios hidrofóbicos em contato com as cadeias de ácidos graxos dos lipídeos de membrana. Algumas proteínas se projetam para fora apenas de um dos lados da membrana, ao passo que outras expõem domínios em ambos os lados.
 os domínios proteicos expostos em um lado da membrana são diferentes daqueles expostos do outro lado, refletindo uma assimetria nas funções. As unidades lipídicas e proteicas individuais da membrana formam um mosaico fluido
 O mosaico da membrana é fluido porque a maioria das interações entre os componentes é não covalente e as moléculas proteicas e lipídicas ficam livres para se movimentar lateralmente no plano da membrana. 
 
 
A membrana é composta por uma bicamada de fosfolipídios que possuem um lado polar, que fica em contato com a região hidrofílica, tanto da região externa quanto da região interna, e uma parte apolar, hidrofóbica, voltado para o interior da membrana.
 
Essa membrana, diferente do que achamos, é fluida, como o nome já diz, mosaico fluido, não se parece com ‘’um ladrilho de cerâmicas acimentado’’, mas com um mar de lipídeos com proteínas aderidas.
As proteínas estão mergulhadas nesta folha (mar) em bicamada com os domínios hidrofóbicos em contato com as cadeias de ácidos graxos dos lipídeos de membrana, na região hidrofóbica. 
Algumas proteínas se projetam para fora apenas de um dos lados da membrana, ao passo que outras expõem domínios em ambos os lados, e estão embebidas nessa lâmina da bicamada, mantidas por interações hidrofóbicas entre os lipídeos de membrana e os domínios hidrofóbicos nas proteínas.
Nesse sentido, alguns domínios proteicos localizados em um lado da membrana são diferentes daqueles que estão localizados no outro lado, o que revela também uma assimetria nas funções.
O mosaico da membrana é fluido, isso porque a maioria das interações entre os componentes é não covalente e as moléculas proteicas e lipídicas ficam livres para se movimentar lateralmente no plano da membrana.
A bicamada lipídica é o elemento estrutural básico das membranas, e embora o termo Interação Hidrofóbica seja utilizado para explicar o arranjo que as moléculas fazem ao redor de regiões hidrofóbicas, deve-se entender que não existe nenhum tipo de interação entre elas, apenas encontram um ambiente ou estado de menor energia, diminuindo a superfície hidrofóbica, apolar, exposta a água.
· A membrana é composta principalmente pelos esfingolipídios, glicerofosfolipídeos e esteróis, e quando em contato com a água eles formam agregados lipídicos por serem anfipáticos, possuem tanto parte polar quanto apolar, que podem ser de três tipos:
A vesícula nada mais é do que a lâmina da bicamada se fechando sobre si mesma, a superfície contínua das vesículas evita que as regiões hidrofóbicas fiquem expostas ao ambiente aquoso, o que faz as bicamadas alcançarem o máximo de estabilidade quando em meio aquoso. 
A maior parte dos lipídeos e das proteínas de membrana é sintetizada no retículo endoplasmático (RE) e então se direcionam para as organelas de destino ou para a membrana plasmática. 
Durante este “tráfego pela membrana”, pequenas vesículas de membrana brotam do RE e vão para o cis Golgi e se fundem com ele. À medida que lipídeos e proteínas se movimentam pelo Golgi, dirigindo-se para o lado trans, elas sofrem um grande número de alterações covalentes que determinam onde vão se localizar e quais as funções que terão na célula. 
Em muitos casos, essas modificações determinam a futura localização das proteínas modificadas. Já que existe cadeias de oligossacarídeos ou ácidos graxos que estão ligados covalentemente a proteínas de membrana especificas. 
Por exemplo, o principal lipídeo que está no golgi é o fosfatidilcolina, entretanto, no transporte de vesículas que deixam o trans Golgi, a fosfatidilcolina é, em grande parte, substituída por esfingolipídios e colesterol, os quais, após a fusão das vesículas de transporte com a membrana plasmática, formam a maior parte da monocamada externa da membrana celular. 
Os lipídeos da membrana plasmática estão distribuídos de forma assimétrica entre as duas monocamadas da bicamada.
Uma segunda via de redistribuição de lipídeos dos locais de onde são sintetizados para a membrana de destino é por canais mediados por proteínas especializadas, denominados junções, incluindo junções entre RE e membrana plasmática e junções entre RE e mitocôndria.
 
Mudanças da distribuição de lipídeos ao longo do tempo entre as monocamadas (lâmina) da membrana plasmática levama consequências biológicas. 
 Por exemplo, as plaquetas do sangue só têm capacidade de desempenhar seus papéis na formação do coágulo sanguíneo quando a fosfatidilserina da membrana plasmática passa para a monocamada externa. No caso de vários outros tipos de células, a exposição de fosfatidilserina na monocamada externa marca a célula para destruição por morte celular programada. 
 
As proteínas são o segundo maior componente das membranas plasmáticas.
· Há três tipos de proteínas de membrana que diferem quanto a suas associações com a membrana:
Esses tipos de proteínas podem ser definidos por sua localização ou como elas podem ser liberadas da membrana. 
· Proteínas Integrais de membrana são firmemente associadas à bicamada lipídica, sendo removíveis apenas por agentes que interferem com reações hidrofóbicas; A firme ligação das proteínas integrais à membrana é resultado de interações hidrofóbicas entre lipídeos de membrana e domínios hidrofóbicos das proteínas.
· Proteínas Periféricas de membrana associam-se à membrana por interações eletrostáticas e ligações de hidrogênio com domínios hidrofílicos de proteínas integrais e com grupos polares dos lipídeos de membrana, sendo removíveis em pH alto por exemplo;
· Proteínas Anfitrópicas são encontradas tanto no citosol quanto em associação com membranas. Suas afinidades pelas membranas resultam, em alguns casos, das interações não covalentes das proteínas com uma proteína ou lipídeo de membrana e, em outros casos, da presença de um ou mais lipídeos covalentemente ligados à proteína anfitrópica. 
As porinas, são proteínas que permitem que certos solutos polares atravessem a membrana externa de bactérias gram-negativas. 
Alguns tipos de lipídeos servem como ancora para determinadas proteínas, O lipídeo anexado provê uma âncora hidrofóbica que se insere na bicamada lipídica e segura a proteína na superfície da membrana. A intensidade da interação hidrofóbica entre a bicamada e a cadeia de hidrocarboneto ligada a uma proteína é suficiente apenas para ancorar a proteína de forma segura, mas muitas proteínas têm mais de uma porção lipídica ligada.
A ligação de um lipídeo específico a uma proteína de membrana recém sintetizada tem a função de orientar a proteína para sua localização correta na membrana.
O lipídeo ligado pode ter um papel mais específico além de meramente ancorar a proteína à membrana. Na membrana plasmática, proteínas com âncora de GPI estão exclusivamente no lado de fora da membrana e ficam agregadas em certas regiões, enquanto outros tipos de proteínas ligadas a lipídeos ficam exclusivamente na face interna.
Vale ressaltar que glicoproteínas de membranas plasmáticas estão sempre orientadas com o domínio que apresenta oligossacarídeos na superfície extracelular.
· Dinâmica da membrana:
Uma característica marcante de todas as membranas biológicas é a sua capacidade de mudar de forma sem perder sua integridade e gerar vazamento. A base dessa propriedade está nas interações não covalentes
entre lipídeos na bicamada e na mobilidade permitida aos lipídeos individuais por não estarem covalentemente ancorados uns aos outros.
Embora a estrutura da bicamada lipídica seja estável, o que contribui para movimentação de suas moléculas, como os fosfolipídios, dependendo da temperatura e composição lipídica esse grau de movimentação pode mudar.
· Estado liquido ordenado (Lo): Abaixo de temperaturas fisiológicas normais, semissólido na bicamada, no qual todos os tipos de movimento de moléculas individuais estão fortemente limitados;
· Estado liquido desordenado (Ld): Acima das temperaturas fisiológicas normais, movimento constante onde pode ocorrer a difusão lateral de lipídeos pela bicamada. 
Observação: o conteúdo de esterol de uma membrana, como o colesterol, apresenta efeitos na fluidez da bicamada, na qual interagem com fosfolipídeos, compactando-os e limitando seus movimentos. o colesterol tende a se associar com esfingolipídeos e formar regiões no estado Lo rodeado por regiões pobres em colesterol no estado Ld. As células regulam sua composição lipídica para conseguir uma fluidez de membrana constante sob várias condições de crescimento.
· O movimento de lipídeos transbicamada requer catalise:
A movimentação de lipídeos de uma camada para outra da membrana requer a existência de flopases, flip-flopases e flipases, que facilitam o movimento de lipídeos transbicamada, provendo um caminho que é energeticamente mais favorável e muito mais rápido do que o movimento não catalisado.
Esse movimento transbicamada contribui para a assimetria das lâminas na bicamada, que pode também gerar curvaturas importantes para o brotamento de vesículas.
Ou seja, a difusão de lipídeos de membrana de uma lâmina da bicamada para a outra é muito lenta, a menos que seja catalisada, e que diferentes espécies lipídicas da membrana plasmática são assimetricamente distribuídas nas duas lâminas da bicamada.
· Flipases: Contribuem para disposição assimétrica de fosfolipídeos, como a fosfatidilserina que quando deixada na lâmina extracelular pode ser um indutor da morte celular, e realizam o movimento de fora para dentro, ou seja, da lamina extracelular para a citosólica. 
C/ATP
· Flopases: Movimentam fosfolipídeos da membrana plasmática da lâmina citosólica para a extracelular e, ou seja, de dentro pra fora, assim como as flipases, são dependentes de ATP. As flopases são membros da família de transportadores ABC, em que todos transportam ativamente substratos hidrofóbicos para fora através da membrana plasmática.
S/ATP
· Flip-Flopases: são proteínas que movem qualquer fosfolipídeos da membrana através da bicamada a favor do gradiente de concentração (da lâmina com maior concentração para a lâmina com menor concentração); sua atividade não depende de ATP. Sua atividade aumenta muito com o aumento da concentração do Ca2+ citosólico, que pode resultar de ativação celular, dano celular, ou apoptose;
· Os microdomínios, balsas lipídicas: 
Moléculas lipídicas individuais podem mover-se lateralmente no plano da membrana trocando de lugar com suas moléculas lipídicas vizinhas, isso é chamado de movimento Browniano. Nesse sentido, é como se fosse um mar de lipídeos, onde os mesmos se movimentam livremente. 
As proteínas movimentam-se como se flutuassem no oceano lipídico e algumas ficam ancoradas.
Os lipídeos da membrana como o colesterol e esfingolipídeos tem a tendência de formarem microdomínios, sendo eles menos fluidos e mais difíceis de serem dissolvidos, se comportando como balsas lipídicas de esfingolipídeos líquidos ordenados à deriva em um oceano de fosfolipídeos líquidos desordenados.
Essas balsas lipídicas são enriquecidas em classes de proteínas integrais de membrana, na qual as mesmas são mais bem aderidas a essas balsas com o colesterol do que com os fosfolipídios. 
Os domínios “balsa” e “mar” da membrana plasmática não são rigidamente separados; as proteínas de membrana podem mover-se para dentro e para fora das balsas lipídicas. 
No entanto, mais relevante para muitos processos bioquímicos mediados pela membrana, muitas dessas proteínas residem principalmente em uma balsa. Balsa essa rica em proteínas ancoradas por GPI e resíduos de Cys, por se associarem de forma estável com o colesterol.
Alguns receptores de membrana e proteínas de sinalização, por exemplo, parecem estar juntos em balsas de membrana. Nesse sentido, experimentos mostram que a sinalização por essas proteínas pode ser interrompida por manipulações que removem o colesterol da membrana plasmática e destroem as balsas lipídicas. Ou seja, essas balsas parecem desempenham importante função na sinalização e transdução de sinal.
A caveolina é uma proteína integral de membrana conectados por um domínio hidrofóbico que liga a proteína à lâmina citoplasmática da membrana plasmática. A caveolina (na realidade, uma família de caveolinas relacionadas) forma dímeros e associa-se a regiões enriquecidas com colesterol na membrana, e a presença de dímeros de caveolina forçaa bicamada lipídica associada a se curvar para dentro, formando
cavéolas (“pequenas cavernas”) na superfície da célula.
Essas cavéolas participam de importantes processos celulares, celulares, incluindo o tráfego de membrana no interior celular e a transdução de sinais externos em respostas celulares. 
Os receptores para a insulina e outros fatores de crescimento, assim como certas proteínas ligadas ao GPI, e proteínas-cinases associadas à sinalização transmembrana, parecem estar localizados em balsas e talvez em cavéolas.
· Curvatura da membrana:
Vale ressaltar que a caveolina não é a única em sua capacidade de induzir a curvatura da membrana, e essas mudanças de curvatura são fundamentais para a célula, já que com isso a mesma consegue uma de suas características mais notáveis: a capacidade de se fundir com outras membranas sem perder sua continuidade.
Embora as membranas sejam estáveis, elas não são estáticas. Dentro do sistema de endomembranas eucarióticas (que inclui a membrana nuclear, o retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi e várias vesículas pequenas), os compartimentos membranosos se reorganizam constantemente.
Por exemplo, exocitose, endocitose, divisão celular, fusão do óvulo com espermatozoide e entrada de vírus envolto por membrana na sua célula hospedeira envolvem a reorganização de membrana, na qual a operação fundamental é a fusão de dois segmentos de membrana sem perda de continuidade.