ESTRUTURA E FUNÇÃO DE BIOMEMBRANAS

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIROUNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO

Prof. Dr. Mauricio Mussi MolisaniProf. Dr. Mauricio Mussi Molisani

TEORIA DA ORIGEM DA VIDA E O APARECIMENTO DAS BIOMEMBRANAS

- Há bilhões de anos: proteínas e aminoácidos se acumulavam nos solos oriundos de reações mediadas pela alta temperaturaradiações, descargas elétricas e a composição químicas doplaneta;

- A formação dos mares carreou estas substâncias para o meio aquoso que se combinavam multiplicando-se quantitativamentequanto qualitativamente e formando colóides (agregados);

-Estes colóides formaram coacervados estabilizados pela coesãointerna da água líquida (ligações de hidrogênio) formando pontesentre estes solutos e permitindo a interação;

-A organização de móléculas de proteínas e lipídios na periferiade cada gotícula formou o primeiro rascunho de biomembrana

Por que esta estrutura se preservou? Processo evolutivo (milhões de anos)

FUNÇÕES

SEPARAR e INTEGRAR

CÉLULAS X MEIO ORGANELAS X CITOSOL

MEMBRANA PLASMÁTICAReticulo endoplasmático, complexo de Golgi,

Lissossomo, Peroxissomo, Mitocôndria, Cloroplasto, Vacúolo, Vesículas

SEPARAR E INTEGRAR

CÉLULAS X MEIO

-Proteção da célula-Manutenção do equilibrio iônico com o meio extracelular-Reconhecimento celular e molecular-Adesão - Comunicação celular

ORGANELAS X CITOSOL

-Controle de atividades celulares-Organização dos sistema enzimáticos-Execução de funções especializadas

103 mm

ESTRUTURA DE BIOMEMBRANAS

Modelos moleculares da organização das biomembranas

• Overton (1902) Monocamada lipídica

• Gorter & Grendell (1926) Bicamada lipídica

• Danielli & Davson (1935) Bicamada lipídica comproteínas aderentes a cada superfície

• Robertson (1959) Unidade de membrana

• Singer & Nicolson (1972) Mosaico fluido

Modelo molecular das membranasModelo do Mosaico Fluido (Singer e Nicolson,

1972)-Mosaico: Proteínas embebidas na bicamada lipídica

- Fluido: Proteínas e lipídios apresentam-se em movimento nas membranas

-De uma maneira geral, os lipídios representam 50% da massa na maioria das membranas sendo os outros 50% referentes as proteínas

-Esta proporção é variável sendo a relação proteína/lipídio de 0,23 na bainha demielina que envolve os neurônios e 3,23 na membrana de mitocondrias

-Os carboidratos são associados as proteínas ou aos lipídios fazendo parte da composição

- Formada por três tipos principais de lipídios:

Fosfolipídios

Esteróis

Glicolipídeos

FOSFOLIPÍDIOS – Um dos principais constituintes de biomembranas

-LIPÍDIOS COMO MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS (amphy=dois, philos=amigos)

Assimetria dos fosfolipídios da membrana, os lipídeos voltados para o meio extracelular não são idênticos aos voltados para o citoplasma

Movimentos determinados pelo tipo de fosfolipídio e o tipo de ligação saturada (- fluida, + rígida) e insaturada (+ fluida, - rígida):FUNÇÃO: PROTEÇÃO

ESTERÓIS – O colesterol é o esterol mais importante debiomembranas. Em eucariotos a sua presença é similar ados fosfolopídios. Os anéis aromáticos conferem rigidez a membrana aumentando a resistência os movimentos geradospelas caudas flexíveis dos fosfolipídios. Dificulta a cristalização a baixas temperaturas pois sua posição entreos fosfolipídios impede a aproximação entre e estes lipídeosFUNÇÃO: PROTEÇÃO

PROTEÍNAS DE BIOMEMBRANAS: Confere individualidade e especificidade as membranas podendo variar sua composição entre 50% a 75% da massa de uma membrana

VISUALIZAÇÃO POR CRIOFRATURA DE PROTEÍNASINTEGRAIS E PERIFÉRICAS

PROTEÍNAS INTEGRAIS

A: UNIPASSO (RECEPTORES)

B: MULTIPASSO (PORO)

A PROTEÍNA ATRAVESSA A REGIÃO HIDROFÓBICA DA BICAMADA DEVIDOA AMINOÁCIDOS COM CADEIAS LATERAIS HIDROFÓBICAS

OS LAÇOS PEPTÍDICOS HIDROFÍLICOS SE VOLTAM AO CENTRO FORMANDO LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO QUE ENROLA A CADEIA EM ALFA-HÉLICE

PROTEÍNAS PERIFÉRICAS

- LIGADAS A PROTEÍNASINTEGRAIS

- LIGADAS A PRÓPRIA BICAMADALIPÍDICA

3- USO DE ENZIMAS ESPECÍFICAS

1 - USO DE DETERGENTES 2- MUDANÇA IÔNICA DO MEIO

CLASSIFICAÇÃO E ESTUDO DE MEMBRANAS

- AS PROTEÍNAS EM BIOMEMBRANAS PODEM REALIZAR MOVIMENTOSDE ROTAÇÃO E DIFUSÃO LATERAL

-OUTRAS PROTEÍNAS TEM SUA MOBILIDADE RESTRINGIDA DEVIDO A BARREIRAS EM DOMÍNIOS DAS BIOMEMBRANAS.

Ex. Em células do epitélio intestinal voltadas para a luz do orgão que necessitam absorver nutrientes; na cabeça de espematozóides que fará contato com o óvulo.

-MECANISMOS: FORMAÇÃO DE COMPLEXOS PROTÉICOS; ASSOCIAÇÃO AO CITOESQUELETO OU À MATRIZ CELULAR; LIGAÇÃO ENTRE PROTEÍNAS DE CÉLULAS ADJACENTES

DIFUSÃO SIMPLES NÃO ANTENDE TODAS AS NECESSIDADES DAS CÉLULAS: COMO VAMOS FICAR SEM GLICÓSE E ÍONS?

PROTEÍNAS MULTIPASSO (B) COMO OS CARREADORES E CANAIS ESPECÍFICOS PARA UM TIPO DE MOLÉCULA

PROTEÍNAS DE MEMBRANA E O TRANSPORTE CELULAR

CANAIS: ATUAM COMO COMPORTAS ONDE PASSA GRANDE QUANTIDADE DE MOLÉCULAS QUANDO ABERTO. TRANSPORTAM ÍONS A FAVOR DO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO, DO COMPARTIMENTO COMMAIOR CONCENTRAÇÃO PARA O DE MENOR (TRANSPORTE PASSIVO). OS CANAIS SÃO ESPECÍFICOS PARA CADA ÍON OU GRUPO DE ÍONS.

-ESTAS PROTEÍNAS SÃO ESTIMULADAS POR LIGANTES

EX. ADRENALINA, EM SITUAÇÕES DE PERIGO INDUZEM A LIBERAÇÃO DESTA SUBSTÂNCIA NA CORRENTE SANGUÍNEA QUE AO ENCONTRAR OS CANAIS IÔNICOS ESPECÍFICOS NA SUPERFÍCIE DA MEMBRANAS DISPARA PROCESSOS QUÍMICOS QUE RESULTAM NA ACELERAÇÃO DE BATIMENTOS CARDÍACOS, SUOR E OUTROS SINTOMAS RELACIONADOS

POR VOLTAGEM

EX. CÉLULAS MUSCULARES, CANAIS DE CÁLCIO CONVERTE SINAIS ELÉTRICOS EM SINAIS QUÍMICOS AO PERMITIR QUE ESTE ÍONS ENTRE NO CITOPLASMA PARA ATUAR COMO MENSAGEIRO NA CONTRAÇÃO MUSCULAR.

POR ESTÍMULOS MECANICOS

EX. PLANTAS INSETÍVORAS QUE DISPARAM CANAIS QUE FECHAM SUAS FOLHAS AO SEREM PRESSIONADOS POR UM INSETO.

SINALIZAÇÃO CELULAR POR LIGANTES HIDROFÍLICOS

-Receptores tipo canal: sofre mudança conformacional induzida pelo ligante que abre o canalEx. Receptor de acetilcolina em células musculares esqueléticas

- Receptores ligados a proteína G também mudam de conformação e mediam outros receptores

AQUAPORINAS: PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS DE ÁGUA PERMITINDO A PASSAGEM DE ÁGUA DO MEIO MAIS DILUÍDO (GERALMENTE EXTRACELULAR) PARA O MAIS CONCENTRADO (CITOPLASMA). AO RECEBER O ESTÍMULO ESTES CANAIS SÃO TRANSPORTADOS A MEMBRANA.

EX. TÚBULOS COLETORES DOS GLOMÉRULOS RENAIS AJUDANDO A CAPTAR A MAIOR PARTE DE ÁGUA PERDIDA DURANTE O PROCESSO DE FILTRAGEM DO SANGUE, O QUE DIMINUE O VOLUME FINAL DE URINA PRODUZIDO

-PARA REESTABELECER O GRADIENTE QUÍMICO DETERMINADO PELOSCANAIS (TRANSPORTE PASSIVO) HÁ UMA GAMA DE PROTEÍNAS DE MEMBRANAS QUE ATRAVÉS DO TRANSPORTE ATIVO (CONTRA O GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO) REESTABELECE O GRANDIENTE QUÍMICO DA CÉLULA E O ESTADO DE REPOUSO

CARREADORES E BOMBAS: SE LIGA A UM SOLUTO E MUDA DE CONFORMAÇÃO LIBERANDO A MOLÉCULA DO OUTRO LADO DA CÉLULA. TRANSPORTA POUCAS MOLÉCULAS POR VEZ. É REALIZADO MEDIANTE GASTO DE ENERGIA “TRANSPORTE ATIVO” UTILIZANDO O ATP E ENVIANDOMOLÉCULAS CONTRA GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO

EX. TRANFERÊNCIA ATIVA DE ÍONS PARA O MEIO EXTRACELULAR PARA EVITAR ABSORÇÃO EXCESSIVA DE ÁGUA (EQUILÍBRIO OSMÓTICO)

EX. NAS MEMBRANAS DO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO BOMBAS DECÁLCIO RECOLHE ESTE ÍON USADO NA CONTRAÇÃO MUSCULAR PARA QUE O MUSCULO VOLTE AO ESTADO DE RELAXAMENTO

EX. BOMBAS DE PRÓTONS EM BACTÉRIAS SÃO USADAS PARA SÍNTESE DE ATP (GERAÇÃO DE ENERGIA)

EX. ALGUNS SISTEMAS ATIVOS NÃO GASTAM ENERGIA TRABALHANDO A FAVOR DO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO COMO NA MANUTENÇÃO DO pH ONDE AUMENTO NA CONCENTRAÇÃO DE H+ SERÁ REVERTIDOPELA TROCA DO SÓDIO ABUNDANTE NO MEIO EXTRACELULAR ATRAVÉS DA BOMBA SÓDIO/POTÁSSIO

CONTROLE DE ATIVIDADES CELULARES: MANUTENÇÃO DO EQUILIBRIO IÔNICO COM O MEIO EXTRACELULAR,

ROTAÇÃO DE FLAGELOS, SÍNTESE DE ATP, REGULAÇÃO DO pH, REGULAÇÃO OSMÓTICA, REMEDIAÇÃO DE TOXICIDADE

CARBOIDRATOS DE BIOMEMBRANAS

- LIPÍDEOS E PROTEÍNAS DE BIOMEMBRANAS APRESENTA-SE LIGADAS A CAROIDRATOS FORMANDO GLICOLIPÍDEOS E GLICOPROTEÍNAS

-O CONJUNTO DE CARBOIDRATOS DE MEMBRANAS É CHAMADO DEGLICOCÁLIX E ESTÃO SEMPRE VOLTADOS PARA O MEIO EXTRACELULAR COM FUNÇÃO DE PROTEGER A BICAMADA LIPÍDICA, ATUAR EM PROCESSOS DE RECONHECIMENTO E ADESÃO

SISTEMA IMUNOLÓGICO (RECONHECIMENTO)

LIGAÇÃO DE TOXINAS, VIRUS E BACTÉRIAS: RECONHECIMENTO E ADESÃO

MEMBRANAS DE ORGANELAS-Controle de atividades celulares-Organização dos sistema enzimáticos-Execução de funções especializadas

A membrana plasmática representa 2 a 5% do total de membranas da célula

As membranas de organelas enviam informaçõesvia moléculas solúveis ou inseridas em

membranas

PERMEABILIDADE DA MEMBRANA

TAMANHO

POLARIDADE

CARGA

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

1) Lehninger (2006) Princípios da Bioquímica, 4° ed., Editora Sarvier

2) Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell, 4° ed. New York, Garland

Questões

1) Quais características permitiram a presença das biomembras ao longo do tempo evolutivo?

2) Descreva como a interação da água com lipídios de biomembranas permitema estrutura de mosaico fluido.

3) Cite e descreva os componente de biomembranas e suas funções metabólicas.