Aula 01 biofisica - Membrana e transporte

Biofísica 001Felipe Beijamini

UNIOESTE – 2016.

Introdução à disciplina:

• Carga horária: • 34 h/a teóricas• 34 h/a práticas

• Avaliação: “Ao longo do ano letivo serão realizadas provas escritas, valendo 0 a 100 pontos, com conteúdo abordado durante a unidade e, estas avaliações terão peso 8. As atividades práticas terão valor de 20 pontos. A nota final bimestral será a somatória da nota da(s) prova(s) escrita(s)+ nota de atividades práticas ao final de cada unidade de conteúdo. O exame final será aplicado aos alunos que obtiveram média entre 40 e 69, através de uma prova escrita, individual, sem consulta, com perguntas envolvendo os conteúdos deste plano de ensino”.

• • “Transporte através de membranas celulares, Bioeletricidade, Biofísica da

Contração Muscular, Biofísica da respiração: Mecânica pulmonar e trocas gasosas, Princípios físicos da hemodinâmica, Bioacústica , Biotermologia, Biofísica das radiações ionizantes”

Contextualização da disciplina:

• Miguel Nicolelis e a “Brainnet”;• Comunicação entre cérebros!

• Tal Goldsworthy – “How I repair my own heart”;• Medicina personalizada - “Tela aórtica”;

Lebedev & Nicolelis, 2006.

Fig 1. Architecture of the BBI and “20 Questions” Experiment.

Stocco A, Prat CS, Losey DM, Cronin JA, Wu J, et al. (2015) Playing 20 Questions with the Mind: Collaborative Problem Solving by Humans Using a Brain-to-Brain Interface. PLoS ONE 10(9): e0137303. doi:10.1371/journal.pone.0137303http://journals.plos.org/plosone/article?id=info:doi/10.1371/journal.pone.0137303

Que informações são comuns às áreas da Física e biofísica?

Que conceitos/temas de estudo são comuns à biologia e física?

• Eletricidade• Eletromagnetismo• Radiação• Mecânica• Pressão ...

Sumário:• Vida – unidade fundamental;• Caracterização funcional da célula;

• Componentes celulares

• Bioquímica celular básica

• Características da membrana plasmática• Estrutura e organização• Fosfolipídeos• Proteínas de membrana• Glicocálice

• Funções da membrana plasmática• Proteção, transporte, regulação

• Mecanismos de transporte através da membrana

Estrutura da membrana plasmática:Existem diversos tipos de membranas celulares, no entanto elas compartilham algumas semelhanças estruturais: “são formadas por uma fina camada lipídica e por moléculas de proteínas ligadas de por interações não-covalentes. São estruturas fluidas, dinâmicas, e a maioria de suas moléculas se movem no plano da membrana. As moléculas de lipídio são organizadas em uma bicamada continua de cerca de 5nm de espessura. Essa bicamada lipídica provém um estrutura fluida que serve de barreira para grande maioria de moléculas solúveis em água.

Alberts. The cell. 5ed.

Funções

• Compartimentalização • Barreira seletiva• Transporte• Responder a sinais externos

• Reconhecimento substâncias, toxinas...

• Excitabilidade• Interações entre células• Propagação de energia

Um pouco de história da ciência... Os diferentes modelos de membrana celulares.

Fig. 4. A schematic illustration of a modification of the Fluid—Mosaic Membrane Model, as envisioned by Escribá and colleagues in 2008. Different lipids are indicated in various colors forming specialized domains around integral membrane proteins and gylcoprot...

Garth L. Nicolson

The Fluid—Mosaic Model of Membrane Structure: Still relevant to understanding the structure, function and dynamics of biological membranes after more than 40 years ☆Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Biomembranes, Volume 1838, Issue 6, 2014, 1451–1466

http://dx.doi.org/10.1016/j.bbamem.2013.10.019

Modelo atual – Mosaico fluido

Interior hidrofóbico

Composição química da membrana.• Lipídeos - aproximadamente 50% da massa da maioria das

membranas de células animais.• Proteínas – representando os outro 50% (altamente variável,

depende da função da célula)• Carboidratos – como glicoproteínas

• Há grande variedade na composição das membranas celulares de acordo com o tipo celular, organela e sua função:

• Por exemplo: Mielina; membrana mitocondrial interna, membrana mitocondrial externa.

• Membrana mitocondrial interna apresenta maior número de proteínas relacionadas à função no transporte de elétrons, a membrana plasmática externa, por sua vez, apresenta menor número de proteínas

Lipídios

• Fosfolipídios• Lecitina• esfingomielina• Fosfatidilcolina• Fosfatidietanolamina• fosfatidilserina

• Esfingolipídeos• Glicolipídios

• Esteroides• Colesterol

WikiCommons

O termo: glicerofosfolipídio tem sido adotado pelos pesquisadores da área

nature.com - Scitable

Molécula de um Fosfolipídio - a fosfatidilcolina

Região hidrofílica

Região hidrofóbica

Fosfatidilcolina

colina

fosfato

glicerol

Ácido graxo

O fosfolipídio clássico:

Região polar

Região apolar

Fosfolipídeos formam bicamadas espontaneamente!

Esterois - colesterol

• Aproximadamente 1 para cada molécula de fosfolipídeo da mb.

• Altera a flexibilidade da membrana;

• “Lipid rafts”

Colesterol está presente em membranas de todos os eucariotos.

Confere estabilidade mecânica

Variações na composição de diferentes membranas

Há variação nos lipídios que compõem cada camada da

membrana

Movimentos dos lipídios na bicamada

Proteínas da membrana (quem faz o trabalho)

• Periféricas ou extrínsecas: Ligadas a proteínas integrais ou associadas à regiões periféricas da membrana. Algumas enzimas (colesterol oxidase) . Ligação reversível!

• Transmembrana ou intrínsecas (integrais): Atravessam a membrana e possuem um domínio hidrofílico citosólico, um domínio que interage com a porção hidrofóbica da membrana e outro domínio hidrofílico extracelular. Canais iônicos, bombas de prótons.

• Proteínas ancoradas em lipídios: Ligadas covalentemente em uma ou múltiplas moléculas de lipídios, ou ancoradas no interior hidrofóbico da membrana. Proteína G.

De acordo com a dificuldade de extração:

Proteínas transmembrana

Quanto à função:

Proteína periférica

Interação com uma alfa-hélix

Interação com alça hidrofóbica

Interação com ligação covalente

(lipidação)

Interações eletrostáticas

Glicocálix

• É basicamente, uma extensão da membrana e não uma camada extra.

• É constituída por: glicolipídeos e glicoproteínas

• Fibronectina

• Suas principais funções:• Reconhecimento celular – Grupo

sanguíneo – Sistema ABO• Inibição por contato• Adesão celular• Também são importantes para os “lipid

rafts”;• Muitos são carregados negativamente

auxiliando na geração do potencial de membrana (eletronegatividade da membrana)

Modelo atual – Mosaico fluido

Fatores que favorecem a fluidez da membrana• Cadeia de ácidos graxos insaturados

• Dificulta o empacotamento das cadeias.

• Tamanho das cadeias dos ácidos graxos

• Baixa temperatura (ácidos graxos congelam mais rápido);

• Presença do colesterol;

• Membranas biológicas são constituidas por uma bicamada de lipídeos (fosfolipídeos) no qual proteínas estão associadas, ancoradas, difundidas;

• Essa bicamda lipídica é fluida;• Os lipídeos se movimentam rapidamente nessa camada;• Esses lipídeos são anfifílicos (porção hidrofílica e porção hidrofóbica);• Essas moléculas formam bicamadas espontaneamente quando em

ambiente aquoso;• A composição lipídica de cada lado da bicamada é distinta e varia

entre tipos de membranas;

Seletividade da membrana

Bicamada lipídica

Transporte através da membrana -

Nature Education - Scitable

Transporte passivoOsmoseDifusão (simples ou facilitada)

Transporte ativoBomba Sódio/potássio

Endocitose/fagocitose

Exocitose

Difusão versus transporte ativo

• Difusão: significa o movimento molecular aleatório de substâncias, molécula por molécula, seja entre espaços moleculares através da membrana ou com auxílio de uma proteína carreadora ( ou canal), de modo que a energia que causa a difusão é a energia do movimento cinético normal.

• Transporte ativo: compreeende o movimento de íons ou outras substâncias através da membrana com a ajuda de uma proteína carreadora de modo que essa carreadora transporta a substância contra um gradiente energético. Necessita de uma fonte adicional de energia (ATP).

Guyton & Hall 13 edição.

Difusão

• Simples ou facilitada• Simples: ocorre através de uma

abertura na membrana ou através de espaços intramoleculares na membrana.

• Interstícios – solúveis em lipídeos• Canais vazantes de água.

• Facilitada: necessita de uma proteína carreadora que se liga quimicamente à substância a ser transportada transporta-a através da membrana.

Guyton & Hall 13 edição.

Gradiente

• Químico (concentração) • Elétrico

Para a próxima aula: O potencial de Nerst!

Guyton & Hall 13 edição.

Osmose: quando há diferença de concentração para água.

• Água é a molécula que apresenta maior taxa de difusão através da membrana;

• Difusão de água em uma hemácia = 100x o volume da célula por segundo nas duas direções; [zero]

Guyton & Hall 13 edição.

Difusão facilitada

• Canal de sódio • Canal de potássio

Difusão simples vs facilitada

A taxa de difusão depende das proteínas de membrana na difusão facilitada.

Difusão simples: > concentração > “taxa” de difusão

Difusão facilitada: > concentração Vmax!

Guyton & Hall 13 edição.

Transporte mediado por proteína canal• Diferentes tipos de proteínas

canal:

• Ativada por ligante (Ligante-dependente)

• Ativada por fosforilação (Fosforilação-dependente)

• Ativado por voltagem (Voltagem-dependente)

• Ativado por ação mecânica (pressão ou volume-dependente)

Canais iônicos controlados por:

Nature Scitable

Transporte ativo de substâncias através da membrana

• Primário:• Transportadores de Sódio-

Potássio (bomba Na+/K+)

• Secundário• Co-transporte ou contra-

transporte

Guyton & Hall 13 edição.

Transporte ativo: co-transporte e contra-transporte

• Co-transporte de glicose e aminoácidos com íons Sódio.

• Glicose é transportada contra o gradiente de concentração;

• Contra-transporte de cálcio e íos de hidrogênio;

• Cálcio é transportando na direção oposta o íon primário (H+);

Transporte ativo através de camadas celulares• Epitélio intestinal, epitélio dos

túbulos renais, epitélio das glândulas exócrinas, epitélio da bexiga, membrana do plexo coroide do cérebro entre outras membranas.

• Mecanismo básico é:• Transporte ativo através da

membrana de um lado das células transportadoras na camada e difusão simples ou facilitada na membrana do lado oposto da célula.

Guyton & Hall 13 edição.

Junções GAP – ou junções comunicantes

Mecanismos de transporte através da membrana

• Processos de fagocitose, endocitose e exocitose

Resumo:

• A membrana plasmática é fundamental na manutenção do meio intracelular, possui receptores para hormônios e outros sinais químicos, e estabelece conexões das células umas com as outras;

• Todas as membranas são constituídas por uma bicamada lipídica fluida de fosfolipídios onde estão inseridas proteínas – O mosaico fluido;

• A superfície externa da membrana apresenta uma camada rica em glicídeos, o glicocalix.

• O transporte através da membrana pode ocorrer por difusão, simples ou facilitada;

• Proteínas de membrana se encarregam de transportar substâncias contra seu gradiente de difusão.

Para casa:

• https://www.youtube.com/watch?v=Q5K1gfwEQrQ

Referências e material complementar• Guyton & Hall 11 edição• Guyton & Hall 13 edição – Em inglês• Nolte, J. – Neurociência - 1ed.• Lent, R. – Cem Bilhões de neurônios? 2ed.• Heneine – F. – Biofísica Básica• Garcia – E – Biofísica.

• Muito obrigado.