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Lipídeos e Membranas

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Lipídeos e Membranas

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Delimitação das células

• Células são delimitadas por membranas biológicas, que impedem o vazamento de moléculas geradas internamente ou que moléculas indesejadas se difundam para dentro.

• Além disso, elas possuem sistemas de transporte para captar moléculas desejadas e remover as indesejadas – é a propriedade de permeabilidade seletiva.

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Membranas celulares

• As membranas celulares são formadas principalmente de lipídeos, mas há circulação de grandes variedades de proteínas.

• A parte lipídica da camada forma uma barreira de permeabilidade, enquanto as proteínas formam sistemas de transporte e sinalização.

• Eucariotos possuem também membranas internas para delimitar organelas, como mitocôndrias ou cloroplastos.

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Propriedades das membranas

• Membranas são estruturas laminares, com espessura entre 60Å e 100Å.

• A relação de massas lipídeos/proteínas vai de 1:4 até 4:1. Glicídeos também estão presentes, ligados a eles.

• Lipídeos de membranas têm uma porção hidrófila e outra hidrófoba, formando espontaneamente lâminas bimoleculares fechadas em meio aquoso, que barram o fluxo de moléculas polares.

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Propriedades das membranas

• Proteínas específicas em membranas podem funcionar como bombas, canais, receptores, transformadores de energia e enzimas.

• Membranas são montagens não covalentes, resultando de muitas interações cooperativas.

• Membranas são assimétricas (as duas faces sempre diferem uma da outra).

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Propriedades das membranas

• Membranas são fluidas, com alta difusão das moléculas de lipídeos e proteína, mas a sua inversão não é frequente.

• A maioria das membranas têm polaridade elétrica, com o lado interno negativo (~60mV).

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Ácidos graxos • Longas cadeias hidrocarbonadas, com

diferentes comprimentos e graus de insaturação, com terminação em carboxila (grupamento ácido).

• Seu nome é derivado do nome do hidrocarboneto correspondente substituindo o o final por óico (octadecano ácido octadecanóico)

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Variações de ácidos graxos

• Em sistemas biológicos, comumente os ácidos graxos contém um número par de carbonos, geralmente entre 14 e 24 (mais comuns entre 16 e 18), quase invariavelmente sem ramificações em animais.

• Eles podem ter a cadeia alquílica saturada ou com duas ou mais ligações duplas, com os insaturados tendo pontos de fusão mais baixo.

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Lipídeos de membrana

• Por definição, lipídeos são biomoléculas insolúveis em água mas muito solúveis em solventes orgânicos.

• Os lipídeos de membrana estão presentes em três principais classes: fosfolipídeos, glicolipídeos e colesterol.

• Há algumas diferenças entre os lipídeos encontrados em eucariotos e bactérias em relação aos de archaea.

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Fosfolipídeos

• São abundantes em todas as proteínas biológicas.

• São compostos de uma plataforma (glicerol ou esfingosina) ligados a um ou mais ácidos graxos e um fosfato ligado a um álcool. No caso dos fosfoglicerídeos (glicerol como plataforma), há sempre dois ácidos graxos).

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Glicolipídeos

• Lipídeos podem se ligar a glicídeos, formando glicolipídeos.

• Podem ser formadas apenas pela ligação de uma ose ou conter cadeias longas e ramificadas.

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Colesterol

• O colesterol tem estrutura diversa dos fosfolipídeos, sendo um esteróide (molécula com um arranjo específico de quatro cicloalcanos fusionados).

• Em membranas, eles se orientam paralelamente às cadeias de ácidos graxos dos fosfolipídeos.

• Ausente em procariontes, ele é encontrado em praticamente todas as membranas de animais.

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Anfipaticidade

• Há enorme variedade de lipídeos de membrana, mas eles são sempre anfipáticas, contendo uma porção hidrófila e outra hidrófoba.

• Essa propriedade favorece a formação de espontânea de membranas ou micelas (como visto no capítulo 1).

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Membranas e micelas

• A maior parte dos fosfolipídeos e glicolipídeos tendem a formar lâminas bimoleculares, pois suas cadeias são muito volumosas para se adaptar no interior de uma micela.

• Já os sais de ácidos graxos, com uma só cadeia, tendem a formar micelas espontaneamente.

• A formação espontânea destas estruturas é chamada de processo de automontagem.

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Fatores para a automontagem

• Interações hidrófobas (moléculas de água são liberadas das caudas hidrocarbonadas).

• Forças atrativas de van der Waals (entre as caudas compactadas).

• Atrações eletrostáticas e pontes de hidrogênio (entre as cabeças polares e moléculas de água).

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Conseqüências biológicas

• Bicamadas tendem a serem amplas.

• Bicamadas tendem a fechar-se para evitar bordas com cadeias hidrocarbonadas expostas, formando compartimentos.

• Bicamadas lipídicas são auto-selantes (a formação de um orifício é energeticamente desfavorável).

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Lipossomos

• Como fosfolipídeos têm propensão a formar membranas, tem-se usado comumente as vesículas lipídicas ou lipossomos para estudos experimentais em ciência básica ou aplicada.

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Uso clínico de lipossomos

• Lipossomos podem ser usados como transporte de DNA para terapia gênica, poise se fundem com a membrana citoplasmática de várias células, introduzindo o material encapsulado.

• A distribuição de medicamentos por lipossomos freqüentemente diminui sua toxidez, pois eles se concentram em regiões de circulação sangüínea aumentada, como tumores sólidos e locais de inflamação.

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Permeabilidade

• Experimentos indicam que membranas de bicamada lipídica têm baixa permeabilidade para íons e para a maioria das moléculas polares, com exceção da água (devido ao seu pequeno tamanho, alta concentração e falta de carga completa).

• O processo consiste em livrar-se da camada de solvatação, dissolver-se no cerne hidrocarbonado, difundir-se para o outro lado e ser ressolvatada, o que em geral é energeticamente desfavorável.

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Proteínas de membrana

• Enquanto os lipídeos formam uma barreira de permeabilidade, praticamente todas as outras funções das membranas são exercidas por proteínas.

• Em geral, membranas que executam funções diferentes contém conjuntos diferentes de proteínas.

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Associação de proteínas a membranas

• Algumas proteínas (chamadas periféricas) podem ser isoladas mais facilmente de membranas, enquanto outras (chamadas integradas) estão muito fixas devido à interação direta com a região hidrocarbonada da membrana.

• Estas últimas necessitam de fortes solventes orgânicos para sua retirada.

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Proteínas de membrana

• Proteínas de membranas são mais difíceis de serem purificadas e cristalizadas.

• Ainda assim, existem estruturas disponíveis (por cristalografia de raios-x ou microscopia eletrônica) de mais de cem destas proteínas, algumas com resolução suficiente para visualização de detalhes moleculares.

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Proteínas de membrana

• Proteínas podem atravessar a membrana através de hélices.

• Na bacteriorrodopsina, mostrada ao lado, a maior parte dos aminoácidos são apolares.

• Em alguns casos, hélices transmembranares podem ser detectadas pela seqüência.

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Proteínas de membrana

• Proteínas de canal podem ser formadas também por fitas.

• A disposição destas fitas formam um cilindro oco, que permite a passagem de moléculas. Um interior hidrofílico pode surgir pela alternância de aminoácidos polares e apolares.

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Proteínas de membrana

• Finalmente, algumas proteínas podem ter regiões que adentram apenas parcialmente na bicamada lipídica, mas ligam-se de forma suficientemente forte para serem consideradas proteínas integradas.

Prostaglandina H2 sintase-1

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Proteínas de membrana

• Outra forma de ligação se dá através de grupamentos hidrofóbicos ligados covalentemente à proteína

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Previsão de hélices transmembranares • Pode-se avaliar se um

segmento de hélices é mais estável em meio hidrocarbonado ou em água.

• Usando os valores tabelados para a energia de transferência entre os meios, pode-se avaliar se uma seqüência é compatível com uma hélice de membrana.

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Gráficos de hidropatia

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Difusão em membranas

• Membranas biológicas não são rígidas – os lipídeos e muitas proteínas de membranas estão constantemente se movimentando lateralmente, no processo chamado de difusão lateral, que pode ser acompanhado experimentalmente.

• A distância média S atravessada no tempo t depende do coeficiente de difusão (D) segundo a expressão S=(4Dt)1/2

• D costuma ser em torno de 1μm2/s para lipídeos em membranas.

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Difusão em membranas

• Proteínas por sua vez podem ter alta variação em sua mobilidade lateral – algumas são quase tão móveis quanto os lipídeos, enquanto outras são praticamente imóveis.

• Como exemplos, a rodopsina tem coeficiente de difusão de 0.4μm2/s, enquanto a fibronectina tem D menor que 10-4μm2/s

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Mosaico fluido

• Devido a esta mobilidade discutida anteriormente, as membranas foram descritas como mosaicos fluidos (Singer & Nicolson, 1972). Neste modelo, as membranas são “soluções bidimensionais”, em que as proteínas podem se difundir lateralmente até o limite das restrições por interações.

• O modelo não considera a rotação através da membrana

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Flip-flop

• Embora seja um processo lento, a rotação espontânea de lipídeos de uma face da membrana para a outra pode ocorrer.

• Este processo é chamado de difusão transversa ou flip-flop, e também é confirmado experimentalmente.

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Flip-flop • Uma molécula de fosfolipídeo faz difusão

transversa apenas uma vez em várias horas, demorando portanto 109 vezes mais para fazer o flip-flop que se difundir por 50Å.

• No caso das proteínas de membranas, as barreiras de energia são ainda maiores, pois elas tem regiões polares mais amplas. A difusão transversa de proteínas de membrana nunca foi observada.

• Isso garante a preservação da assimetria das membranas.

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Fluidez das membranas

• A fluidez das membranas, que influi em processos como transporte e transmissão de sinais, depende da composição em ácidos graxos e conteúdo de colesterol.

• Ácidos graxos saturados favorecem o estado rígido.

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Controle da fluidez

• Bactérias controlam a fluidez de suas membranas variando o número de ligações duplas e comprimento da cadeia dos ácidos graxos.

• Em animais, ela é controlada principalmente pelo colesterol, que por ser muito diferente dos fosfolipídeos perturba as interações regulares.

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Assimetria das membranas

• As membranas são estrutural e funcionalmente assimétricas.

• Como exemplo, a bomba de sódio e potássio é orientada de forma a bombear Na+ para fora e K+ para dentro da célula.

• O ATP precisa estar dentro da célula para acionar a bomba, enquanto seu inibidor (ouabaína) só funciona quando no exterior da célula.

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Outras membranas

• Algumas bactérias, como a E. coli, possui duas membranas separadas por uma parede celular (composta de proteínas, peptídeos e glicídeos). A região entre as duas membranas é chamada de periplasma.

• Nos eucariotos, há só uma bicamada lipídica, mas há outras membranas formando organelas, como mitocôndrias (síntese de ATP), peroxissomos (oxidação de ácidos graxos) ou o próprio núcleo.

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Outras membranas

• Há várias evidências de que as mitocôndrias evoluíram de bactérias por endossimbiose.

• Há também membranas adicionais em processos como a endocitose, em que proteínas forçam a geração de vesículas.