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Biofísica Modelos de Membrana Celular Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo J wfdaj.sites.uol.com.br BIOFÍSICA

Biofisica Das Membranas

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BiofsicaModelos de Membrana Celular

Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.

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Resumo Modelos de membrana celular: modelos de Robertson, Stein & Danielli, Lucy & Glauert, Benson e Lenard & Singer Modelo de mosaico fluido Simulao computacional da membrana celular Composio lipdica da membrana celular Modelo atual de membrana celular Protenas de membrana celular Referncias

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Membrana CelularA principal funo da membrana celular manter, de forma seletiva, molculas to diversas como protenas e pequenos solutos, no interior da clula. Assim, a membrana funciona de forma eficiente para regular seletivamente sua permeabilidade. A composio da membrana celular tem sido estudada de forma intensa, a partir do uso de diversas tcnicas fsicas e qumicas, discutiremos a seguir a evoluo dos principais modelos da membrana celular.

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Membrana CelularNo livro clssico de Oparin, A Origem da Vida, esse props que para qualquer forma de vida, das mais simples que sejam, faz-se necessria uma barreira fsica, que separe a parte viva do meio que a cerca. Esse trabalho destaca a necessidade de uma membrana para isolar, at mesmo as formas de vida mais simples, do meio exterior.

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Modelos de Membrana CelularModelo de Robertson (1957). O estudo de eritrcitos realizados por Gorter & Grendel em 1925 indicou que o contedo lipdico das membranas ocupava uma rea duas vezes maior que a superfcie da clula. Tal observao levou hiptese da bicamada lipdica, com a parte polar voltada para os meios intra e extra celular e a parte hidrofbica voltada para o interior da membrana, escondida do solvente. Posteriormente Schmitt e colaboradores, a partir de estudos de polarizao da luz, propuseram que eritrcitos apresentavam lipdios perpendiculares ao plano da membrana, como espera-se de uma bicamada (Schmitt et al., 1937, 1938). Outros cientistas propuseram a presena de protenas nas membranas (Danielli & Davson, 1935), com a participao protica estendendo-se at 60 % da membrana. Baseado nessas informaes Robertson (1957, 1981) props que as protenas estivessem distribudas sobre a superfcie da membrana.

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Modelos de Membrana CelularO modelo de Robertson era coerente com a informao sobre a presena de protenas nas membranas, bem como com a presena da bicamada lipdica, contudo falhava ao colocar protenas globulares na superfcie da membrana. A presena de uma camada de protena na membrana formava uma blindagem na superfcie da membrana, o que impossibilita a comunicao entre os meios intra e extra-celular. Referncias: Robertson, J. D. (1957). J. Biophys. Biochem. Cytol., 3:1043-1048. Robertson, J. D. (1981). J. Cell Biol. 91(3 Pt 2):189s-204s. Review.Bicamada lipdica

Protena globular

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Modelos de Membrana CelularModelo de Stein & Danielli. Esse modelo prope a presena de um canal transmembrana composto por protenas, o que permite comunicao entre os meios intra e extra celular, aumentando a permeabilidade da membrana celular. Nesse modelo toda a membrana revestida por protenas Stein & Danielli (1956). O principal problema desse modelo o envolvimento de toda a membrana celular por protenas, no h contato para poro polar da bicamada lpdica com o solvente do meio extracelular, ou com o citoplasma, a bicamada lipdica fica blindada pela protena.

Fonte: Garcia, E. A. C. Biofsica. 2000 (pg. 5).

Editora Savier,

Referncia: Stein, W. D. & Danielli, J. F. (1956). Discuss. Faraday Soc. 21:238-251. wfdaj.sites.uol.com.br

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Modelos de Membrana CelularModelo de Lucy & Glauert. Nesse modelo o lipdeos formam micelas globulares, que esto revestidas por protenas (Lucy & Glauert, 1964). Esse modelo apresenta o mesmo problema do modelo de Robertson, no h comunicao entre os meios extra e intra celular.

Fonte: Garcia, E. A. C. Biofsica. Editora Savier, 2000 (pg. 5).

Referncias: Lucy, J. A. & Glauert, A. M. (1964). J. Mol. Biol. 12: 727-748. De Mello, W. C. (1972). Electrical phenomena in the heart, Academic Press, New York and London.

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Modelos de Membrana CelularModelo de Benson. Nesse modelo a membrana composta por uma matriz protica com lipdios dispersos. O principal problema dessa proposta est na inexistncia de canais transmembranas. Referncia: Benson, A. A. (1966). J. Amer. Oil Chem. Soc., 43:265-270.

Fonte: Garcia, E. A. C. Biofsica. 2000 (pg. 5).

Editora Savier,

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Modelos de Membrana CelularModelo de Lenard & Singer. Esse modelo, mais realstico, prev a presena de protenas numa bicamada lipdica (Lenard & Singer, 1966), h previso de protenas transmembranas que atravessam a bicamada lipdica. Referncia: Lenard, J. & Singer, S. J. (1966). Proc. Natl. Acad. Sc. 56:18281835.Modelo de Lenard&Singer, , indicando duas protena inseridas na bicamada lipdica (elipsides cinzas). A protena da esquerda uma protena extrnseca e a da direira uma protena intrnseca. Os fosfolipdios so indicados com a cabea polar em preto e a cauda hidroffica pelas linhas que saem da esfera preta.

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Modelos de Membrana CelularModelo de mosaico fluido. Experimentos mais detalhados mostraram deficincias nos diversos modelos de membrana celular. Singer e Nicolson (1972) propuseram um modelo de membrana constitudo de uma bicamada lipdica, onde encontram-se inseridas protenas. H dois tipos de protenas inseridas na membrana, uma que atravessa toda a membrana, chamada protena intrnseca, ou transmembrana. O segundo tipo de protena localiza-se sobre a membrana, sendo encontrada tanto no exterior como voltada para o citoplasma. Esse segundo tipo de protena chamado extrnseca. wfdaj.sites.uol.com.brProtenas extrnsecas

Protena intrnseca, ou transmembrana

Referncia: Singer, S. J. & Nicolson, G. L. (1972) Science, 175:720-731.

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Modelos de Membrana CelularEsse modelo prev a passagen seletiva de ons pelas protenas intrnsecas, que so chamadas de canais ou bombas como veremos em detalhe no estudo do potencial de membrana. Outra caracterstica desse modelo liberdade de movimentao das protena na bicamada. De acordo com caractersticas bsicas do modelo, mosaicismo e difuso, previu-se a liberdade lateral e rotatria, assim como a distribuio aleatria de componentes moleculares na membrana.Protenas extrnsecas

Protena intrnseca, ou transmembrana

Referncia: Singer, S. J. & Nicolson, G. L. (1972) Science, 175:720-731.wfdaj.sites.uol.com.br

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Modelos de Membrana CelularO modelo de mosaico fluido usado at hoje, apesar de experimentos posteriores, terem deixado claro que a liberdade de movimentao das protenas transmembranas e extrnsecas, no representa a realidade observada (Vereb et al., 2004). Uma das caractersticas da membrana celular, no previstas no modelo de mosaico fluido, que as protenas apresentam uma distribuio no aleatria, h uma concentrao de protenas em regies definidas na membrana, conhecidas como balsas lipdicas. Essas balsas lipdicas so pequenas da membrana, onde alguns lipdios (normalmente esfingolipdeos e colesterol) e protenas esto concentrados.

Balsas lipdicas, mostrando setores da membrana que fixam essas nas regies indicas. Fonte: Vereb et al. 2004.

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Modelo Atual da Membrana CelularUm modelo para membrana celular mais realstico prev alm da clssica bicamada lipdica e as protenas transmembranas e extrnsecas os seguintes aspectos: 1) Distribuio no aleatria das protena na membrana. O modelo original de mosaico fluido prev uma distribuio aleatrias das protena na bicamada lipdica. 2)Contatos moleculares quase permanentes. 3) Domnios de membrana: difuso limitada, reorganizao dinmica.

4) Plataformas lipdicas.5) Protenas so importantes elementos estruturais. 6) Estruturao dinmica.

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Modelo Atual da Membrana CelularProtena da classe GlicolipdioCadeia lateral de oligossacardeo

Fosfolipdeo

Protena globular

Segmento hidrofbico da protena

Colesterol

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Composio Lipdica da Membrana CelularH trs tipos de lipdios na membrana celular animal, segundo estudos de Rouser e colaboradores de 1968. 1) Esterides colesterol 2) Fosfolipdios Esfingomielina Fosfatidilcolina Fosfatidiletanoamina fosfatidilserina Lecitina 3) Glicolipdios

Referncia: Rouser, G., Nelson, G. J., & Fleischer, S. (1968). In: Biological Membranes Ed. by D. Chapman, Academic Press, New York.

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Composio Lipdica da Membrana CelularBiomembranas so baseadas principalmente em lipdios, com predominncia de fosfolipdeos. A estrutura qumica geral de uma molcula de fosfolipdio mostrada na ao lado (figura a). Essa molcula basicamente um glicerol (figura b), sobre a qual foram atachadas as cadeias de cidos graxos (R1 e R2), via ligaes do tipo ster, ao fosfato pode-se ligar qualquer molcula, designada na figura a por X.

a)CH2 O O C R1 CH O C R2 OFosfolipdio

O CH2 O P OO X

b)H HO CH2 C OHGlicerol

CH2

OH

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Composio Lipdica da Membrana CelularUm dos cidos graxos tpicos, encontrados nos fosfolipdios, chamado cido palmtico. A molcula de cido palmtico apresenta 16 carbonos e 31 hidrognios. Esse cido graxo dito saturado, pois apresenta o maior nmero de possvel de hidrognios. A presena de ligaes duplas na cadeia de cido graxo indica que o mesmo no-saturado. As duas cadeias R1 e R2 no precisam ser homogneas, ou seja, podem apresentar cadeias de tamanhos distintos. Nos fosfolipdios uma parte de molcula polar, a cabea hidroflica, e a parte nopolar, composta pelas duas cadeias de cidos graxos. O diagrama esquemtico abaixo ilustra uma molcula de fosfolipdio. Molculas que apresentam parte polar e parte hidrofbica so chamadas anfipticas.

Cabea polar

Caudas hidrofbicas

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Simulao Computacional da Membrana CelularUm grande nmero de modelos computacionais de membranas celulares foram construdos e submetidos simulao de dinmica molecular. Esses modelos usam diferentes componentes para a formao da bicamada, no exemplo ao lado foram usadas 200 molculas de 1-palmitoil2-oleoil-sn-glicerol-3-fosfatidilcolina, formando uma caixa retangular com 5483 molculas de gua interagindo com a parte polar da bicamada. As dimenses do sistema da membrana mais molculas de gua so de 100 x 75 x 35 , sendo a ltima a espessura da bicamada. Referncia: Heller, H., Schaefer, M. & Schulten, K. (1993). J. Phys. Chem. 97:83438360. wfdaj.sites.uol.com.br

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Centro de Reao Fotossinttica de Rhodopseudomonas viridisO centro de reao fotossinttico. O complexo protico, centro de reao fotossinttico da bactria prpura Rhodopseudomonas viridis, o local da etapa inicial da captura de energia luminosa na fotossntese. Esse complexo protico composto de quatro cadeias polipeptdicas, indicadas na figura ao lado, nas cores azul, vermelha, cinza e dourado. H tambm quatorze cofatores de baixo peso molecular, indicados em amarelo. Entres os cofatores temos cromforos, que absorvem a energia de excitao, que convertida em potencial eletroqumico, atravs da membrana. Referncia: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J. 8:2149-2170. wfdaj.sites.uol.com.br

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Centro de Reao Fotossinttica de Rhodopseudomonas viridisO centro de reao fotossinttico. Na presente viso a molcula est deslocada aproximadamente 90 graus em relao anterior, considerando-se o eixo vertical paralelo tela. Ambas vistas mostram a estrutura com todos os tomos das protenas, como esferas rgidas. So excludas desta representao os tomos de hidrognio. Esse complexo protico foi a primeira protena intrnseca de membrana a ter sua estrutura tridimensional elucidada, usando-se tcnicas de cristalografia de raios X em 1989 (Deisenhofer e Michel, 1989), fato esse que foi laureado com o prmio Nobel de Qumica de 1989. Referncia: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J. 8:2149-2170. wfdaj.sites.uol.com.br

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Centro de Reao Fotossinttica de Rhodopseudomonas viridisO centro de reao fotossinttico. Esse complexo protico apresenta dimenses aproximadas de 72 x 72 x 132 , sendo 1 = 10-10 m. Referncia: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J. 8:2149-2170. 132

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Centro de Reao Fotossinttica de Rhodopseudomonas viridisO centro de reao fotossinttico. Nessa representao os resduos de aminocidos hidrofbicos esto em cinza, os polares em verde, os cidos em vermelho e os bsicos em azul. tomos pertencentes aos cofatores esto em ciano. Vemos claramente uma heterogeneidade na distribuio de cargas na superfcie das protenas. No centro temos uma regio hidrofbica, e nas partes superior e inferior uma concentrao de resduos de aminocido carregados e polares. Referncia: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J. 8:2149-2170. 72 wfdaj.sites.uol.com.br

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Centro de Reao Fotossinttica de Rhodopseudomonas viridisO centro de reao fotossinttico. A cadeia azul a protena chamada citocromo, as cadeias vermelha e cinza so chamadas subunidades L (Light) e M (Medium), respectivamente e a cadeia dourada chamada cadeia H (Heavy).

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Centro de Reao Fotossinttica de Rhodopseudomonas viridisO centro de reao fotossinttico. A representao esquerda indica os elementos de estrutura secundria, notadamente: hlices, fitas beta e regies de coil. As cadeias L e M apresentam preponderantemente hlices, enquanto o citocromo e a cadeia H apresentam outros elementos de estrutura secundria. Observao: As coordenadas atmicas usadas para representar a estrutura do centro de reao fotossinttico esto depositadas no banco de dados de estruturas PDB (Protein Data Bank) com cdigo de acesso: 1PRC. O endereo do PDB www.rcsb.org/pdb .

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Trabalho1) Faa um diagrama esquemtico da membrana celular e discuta suas principais caractersticas.

2) A partir da anlise da estrutura do centro de reao fotossinttico proponha um modelo para sua interao com a membrana celular.Parte polar

Parte hidrofbica

Parte polar

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RefernciasDanielli, J. F. & Davson, H. (1935). J. Cell. Comp. Physiol., 5:495-508. Garcia, E. A. C. Biofsica. Editora Savier, 2000. Gorter, E. & Grendel, F. (1925). J. Exp. Med. 41:439-443. Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., Heller, H. G. Vida. A Cincia da Biologia. 6a ed. Artmed editora. 2002. Schmitt, F. O., R. S. Bear, and E. Ponder. (1937) . J. Cell. Comp. Physiol 9: 89-92. Schmitt, F. O., R. S. Bear, and E. Ponder. (1938) . J. Cell. Comp . Physiol. 11 :309-313.

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