Biofísica das membranas biológicas_aula1_2013.pdf

Compartimentalização: estabelecimento de 2 regiões no espaço, separadas fisicamente por uma barreira, e funcionalmente pelo trânsito seletivo

Trocas de Energia e Matéria

Tempo X Evolução

• 4.600.000.000 anos – Terra

• 3.500.000.000 anos – procariontes

• 2.000.000.000 anos – eucariontes

• 700.000.000 anos – multicelulares

• 70.000.000 anos – mamíferos

• 12.000 anos – Homem

• 80 anos – vida média

• 40 anos – membranas

• 33 anos – eletrodos celulares

eNOS L-Arg

NO

GCs

+ GMPc

PKA

PKG

-

PDE1/3

GMPc AMPc

+

-

iNOS

nNOS

Carioteca

Biofísica das membranas biológicas

EVOLUÇÃO DOS MODELOS DE MEMBRANA

1- GORTER & GRENDEL (1925) - bicamada lipídica

2- DANIELLI & DAVSON (1935)

eritrócitos

3- STEIN & DANIELLI (1956)

4- LUCY & GLAUERT (1964)

Micelas revestidas por proteínas

5- BENSON (1966)

6- LENARD & SINGER (1966)

Matriz protéica Dispersão de lipídeos

Proteínas fixadas

7- SINGER & NICOLSON (1972) - Mosaico Fluido

Membrana Plasmática

ESTRUTURA DA MEMBRANA CELULAR

É uma “faixa” muito fina de lipídeos e de proteínas mantidas juntas principalmente por interações não covalentes

• Componente lipídico (bicamada de lipídeos) – Fosfolipídeos – Glicolipídeos – esteróides

• Componente protéico (proteínas inseridas

na bicamada) – Proteínas Periféricas – Proteínas Integrais

• Componente glicídico (carboidratos) – Porção de carboidratos dos glicolipídeos e

glicoproteínas, constituindo o glicocálix

COMPOSIÇÃO DAS MEMBRANAS

GLICOCÁLIX

• As proteínas de membrana estão geralmente associadas a carboidratos, que podem ser:

–Glicoproteínas (cadeias de oligossacarídeos às proteínas) e a lipídeos

–Glicolipídeos (cadeias de oligossacarídeos à lipídios)

–Cadeias de polissacarídeos de moléculas de proteoglicanas.

GLICOCÁLIX

• O glicocálix é uma zona onde se encontra vários desses carboidratos na superfície da membrana.

COMPOSIÇÃO DAS MEMBRANAS

Fonte Proteína (%) Lipídio (%) Carboidrato (%)

Mielina 18 79 3

Eritrócito 49 43 8

Cloroplasto 70 30 0

Mitocôndria 76 24 0

-Tipos de lipídios

1-Fosfolípídios • Fosfatidilcolina • Fosfatidilserina • Fosfatidiletanolamina • Fosfatidilinositol • Esfingomielina 2- Glicolipídeos 3- Esteróides • Colesterol

Fosfolipídio

FOSFOLIPÍDIOS

Possuem uma cabeça polar e duas caudas de hidrocarboneto hidrofóbicas (característica que confere a dupla camada lipídica).

As caudas são normalmente ácidos graxos com diferenças no comprimento, o que influi na fluidez da membrana.

GLICOLIPÍDIOS

• Auxiliam na proteção da membrana plasmática em condições adversas, como pH baixo.

• Acredita-se que essas moléculas participem dos processos de reconhecimento celular, e alguns glicolipídeos propiciam pontos de entrada para algumas toxinas bacterianas.

COLESTEROL Alteram as propriedades de permeabilidade das duplas camadas lipídicas.

Ela torna a bicamada lipídica menos sujeita a deformações, e assim, diminui a permeabilidade da membrana.

ASSIMETRIA DA BICAMADA LIPÍDICA

• Flip-flop • Difusão lateral (D = 10-8 cm2/s) = 2 m–1 seg • Rotação • Flexão

A BICAMADA LIPÍDICA É UM FLUIDO BIDIMENSIONAL

Fig 10-13 Seis modos pelos quais as proteínas da membrana associam-se com a bicamada lipídica . (1) única -hélice- unipasso, (2) múltiplas -hélice-multipasso, (3) lipídeo covalentemente lidado à proteína, (4) ligado a um fosfatidilinositol, (5 e 6) ligação não-covalente com outras proteínas.

PROTEÍNAS DE MEMBRANA

Unipasso multipasso

Unipasso Multipasso

Unipasso -hélice Multipasso

-hélices Multipasso

-pregueada

Periférica

FLUIDEZ DA MEMBRANA

• A membrana plasmática não é uma estrutura estática, Os lipídios movem-se proporcionando uma fluidez à membrana.

FLUIDEZ DA MEMBRANA

• A membrana plasmática não é uma estrutura estática, Os lipídios movem-se proporcionando uma fluidez à membrana.

FLUIDEZ DA MEMBRANA

• Os lipídios podem:

– girar em torno de seu próprio eixo,

–podem difundir-se lateralmente na monocamada,

–migrar de uma monocamada para outra (flip-flop) - raramente,

–e realizar movimentos de flexão por causa das cadeias e hidrocarbonetos

FLUIDEZ DA MEMBRANA

• Depende também da temperatura e da quantidade de colesterol, pois quanto maior a temperatura e maior quantidade de colesterol menos fluida será a membrana.

PROTEÍNAS DA MEMBRANA

• Desempenham a maioria das funções específicas das membranas.

• São elas que conferem as propriedades funcionais características de cada tipo de membrana.

PROTEÍNAS DA MEMBRANA

• Proteínas transmembrana: atravessam a bicamada lipídica e são anfipáticas.

• Elas podem atravessar a membrana uma única vez (proteína transmembrana de passagem única) ou então atravessando várias vezes a membrana (proteína transmembrana multipassagem).

• Podem ter a função de transportar íons, funcionar como receptores ou como enzimas.

PROTEÍNAS TRANSMEMBRANAS

PROTEÍNAS DAS MEMBRANAS

• Proteínas periféricas: se prende a superfície interna e externa da membrana plasmática através de vários mecanismos.

Bicamada lipídica

Proteína integral

multipasso

Membrana Plasmática

delimitação do volume celular

antigenicidade (induz uma resposta imune)

reconhecimento, adesão e topo inibição

serve como ponto de fixação para enzimas e estruturas de sustentação

trocas entre a célula e o meio (permeabilidade seletiva)

manutenção de um potencial elétrico através da membrana

Organelas Membranosas

• As Mitocôndrias

• A Carioteca

• O Sistema de Endomembranas –Retículo Endoplasmático

–Complexo de Golgi

–Lisossomos, Peroxissomos e Endossomos

Membranas Biológicas

estrutura da Membrana Plasmática é a similar para todas as organelas membranosas.

estrutura traz implicações para as funções desta organela, ênfase para os transportes através da membrana.

Carioteca

Funções das Proteínas na Membrana

• determina quais substâncias irão entrar ou sair das células, e em quais

quantidade e velocidades isso vai acontecer.

transportadores de íons

Transporte passivo

Transporte ativo

Difusão simples

Difusão facilitada

Mediado por canal

Mediado por carreador

Transporte transmembrana


Transporte passivo – transporte de soluto do meio de

maior concentração para o de menor concentração sem gasto de ATP

Difusão

Difusão simples

DIFUSÃO FACILITADA

Trocador Na+/Ca++

Bomba de Ca++ do retículo sarcoplasmático

10 -hélices

Sarcoplasmic/Endoplasmic Reticulum Calcium ATPase

TRANSPORTE ATIVO Bomba de Na+/K+

• 2 subunidades ( e )

• (112.000 daltons) – 10 -hélices

• ( 35.000 daltons) – 1 -hélice - glicoproteína

147.000 daltons – 11 -hélices

Transporte passivo

Transporte ativo

Difusão simples

Difusão facilitada

Mediado por canal

Mediado por carreador



Porquê as células precisam ter canais?

• Natureza da membrana

Espessura:6 à 8 nm

Porquê as células precisam ter canais?

• Natureza da membrana

• Físico-química dos íons em solução

Hidratação: os íons são hidrofílicos

Mobilidade dos íons em solução

Raio X Mobilidade: Na e K

Menor raio – carga mais localizada – maior campo elétrico

Canais Iônicos

Propriedades

• Conduzem íons

• Selecionam íons

• Abrem e fecham em resposta a

sinais elétricos, mecânicos ou

químicos específicos

Canais Iônicos

Velocidade de condução

• 100 milhões (108/seg/canal) = I

Causa alterações rápidas do potencial de membrana (Vm) sinalização

Canais Iônicos

Velocidade do fluxo iônico X Concentração

Dependência Saturação

CANAIS IÔNICOS X SELETIVIDADE

Canais iônicos são seletivos

Canal de Na+:

• Diâmetro do poro - estreitamento

• Tamanho do íon

• Carga do canal

• Carga do íon

Bertil Hille ampliou a teoria do poro

Filtro - peneira

Perde maior parte da água


Diâmetro do poro suficiente// gde

Não perde totalmente camada de hidratação

As águas em torno

do íons são

continuamente

substituídas (106/s).

O íon troca

facilmente sua

interação com água

pela interação com

um grupo químico

similar no filtro de

seletividade do canal.

100ns para a

travessia


Se deve à interações químicas específicas e à peneira molecular resultante do diâmetro do poro

Regulação

Canal de Na+ dependente de acetilcolina

Regulação

• Canais não modulados:

Abertos ou Fechados durante o repouso

• Todos os canais têm um estado fechado e um aberto, e alguns têm também um estado inativo (Na e Ca), no qual o poro, mesmo aberto, encontra-se ocluído por uma região própria do canal.

• A transição entre as formas fechada e aberta é alostericamente regulada por voltagem – movimento de gating - por regulação de uma molécula ou por modificação covalente.

ESTADO CONFORMACIONAL

Tempo X Evolução

• 4.600.000.000 anos – Terra









Canais iônicos

Tempo X Evolução

• 4.600.000.000 anos – Terra









Canais iônicos

canais para o potássio

• são os mais simples e os mais antigos

evolutivamente, surgiram, entre os procariontes,

há mais de 2,4 bilhões de anos atrás.

• Diversidade

• Figura 4: Esquema geral de duas subunidades principais α de um canal para o potássio dependente de voltagem. Neste estão mostrados a região que constitui o filtro de seletividade, o poro e o “sensor de voltagem” (segmento S4)

• Adaptado de Koch et al., 1987.

Sensor de

voltagem Poro

Filtro de seletividade

Subunidade

Canais para Potássio

• 3 diferentes tipos de canais:

1) K1 (“inward rectifier channel”) • Repouso – corrente de saída de K+ através desses

canais • Fase 0 – condutância diminui (contribuir para o platô) 2) Kto (“transiente outward channel”) • Fase 0 – abre-se rapidamente mas logo se inativa 3) K (“delayed rectifier channel”) • Progressivo aumento da condutância (Fase 2) • Canal Ks (insensível ao sotalol), Kr (sensível ao sotalol) e

Kur.

Canais para o potássio dependentes de voltagem

• Contribuem para manter o volume celular, o

potencial de membrana, a excitabilidade neural, a secreção de neurotransmissores, de hormônios e sais.

• Em neurônios, sua diversidade influencia a forma e a frequência de disparo dos potenciais de ação.

• Em células não-excitáveis (linfócitos e células da glia) a atividade parece estar relacionada com um estágio funcional específico no desenvolvimento celular.

• Os canais iônicos para o potássio abertos impulsionam o potencial de membrana da célula na direção do potencial de equilíbrio do K+.

• Eles ajudam a restaurar o estado de

repouso após a despolarização, promovendo a hiperpolarização das membranas no estágio seguinte ao disparo do potencial de ação.

• As funções de estabilização e restauração do potencial de membrana são feitas por um repertório extenso de canais para o potássio que diferem em cinética, sensibilidade à voltagem e modulação pelo íon cálcio e por vários mensageiros intracelulares, tais como o ATP.

Canais para Sódio

• Evoluíram a partir dos canais para K, via canais para Ca, nos primeiros metazoários, há aproximadamente 800 milhões de anos atrás.

• Responde a fase 0 dos potenciais de ação

• É bloqueado pela TTX ou lidocaína

• A acidose diminui a condutância desses canais

Canais para cálcio

• Descobertos 50 – distinguidos pelo potencial de ativação

• Corrente dependente da voltagem

– Imax=

–Classificação: HVA e LVA

Canais para Ca2+

Canais para Cálcio ativados por voltagem

Subunidade formadora do poro (1) Subunidade auxiliares ( 2, d, , g, )

CÁLCIO

segundo mensageiro

[Ca]i = 100nM repouso [Ca]e = 1 a 2mM

pequeno influxo – sensibilidade

IMPORTÂNCIA

CANAIS DE CÁLCIO: CONTRAÇÃO

SECREÇÃO

NEUROTRANSMISSÃO

EXPRESSÃO GÊNICA

CASCATA DE FOSFORILAÇÃO DE PROTEÍNAS

Canais para cálcio tem 2 papéis principais:

• Eletrogênico

• Regulatório

Múltiplos tipos de canais

para Ca

• sensíveis à dihidropiridinas

• 1963 – investigação eletrofisiológica

CLASSIFICAÇÃO – CANAIS DE CÁLCIO DEPENDENTES DE VOLTAGEM

20 40 60 80 100

Ca v 1.1

Ca v 1.2

Ca v 1.3

Ca v 1.4

Porcentagem de similaridade por aminoácidos

Ca v 2.1

Ca v 2.2

Ca v 2.3

Ca v 3.1

Ca v 3.2

Ca v 3.3

L

T

HVA

LVA

N

P/Q

R

S

C

D

F

A

B

E

G

H

I

nome classe

L

T

N

P/Q

R

Ertel, 2000 Birnbaumer,1994

N – neurônio P – Purkinje R – resistente a tox L – large condutance T – tiny condutance

Canais para Cálcio

• Responde a fase de platô • Canais identificados: 1- Canal tipo L (“large condutance”) • condutância de 25pS • é ativado em voltagens próximas a 0 mV • pode ser bloqueado pelas diidropiridinas (nifedipina, nitrendipina)

verapamil, D600 e cádmio • HVA (High Voltage) ativados em potenciais mais positivos 2- Canal tipo T (“tiny condutance”) • condutância de 8pS • é pouco sensível ao verapamil e ao D600 • pode ser bloqueado pelo Ni++ e tetrametrim • LVA (Low Voltage) ativados em potenciais menos positivos 3- Canais do tipo N, P, Q e R • condutância de 13pS HVA (High Voltage) ativados em potenciais mais positivos

February 1, 2001 THE AMERICAN JOURNAL OF MEDICINE Volume 110

I II III + +

+

P

II + +

+ V

+ +

+ IV + +

+ +

VI

P

III V V IV

+ +

+ +

IV

+ +

+ +

533

VI I VI I II III

+

IV

+ +

+ +

I VI II III V

P PKG

PKA

PKC

NH2

COOH

27/31

1928

d

1

NH2

NH2

P 478/479

PKA

COOH

COOH

1: 190-250kDa

4 unidades homólogas – Domínios

S4 - Arg e Lys

alças P – filtro seletivo (4 resíduos de glutamato)

Ca2+ Ba2+ e Sr2+

Domínio I – inativação do canal

I II III IV

S4

alça P

Permeabilidade

Ca2+ Ba2+ e Sr2+

inativação do canal K

Bloqueadores:

La3+ > Co2+ >Mn2+ > Ni2+ > Mg2+

Ion Channels – David J. Aidley and Peter R. Stanfield

(MODIFICADO)

F A

I

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