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F.
de
Aze
ve
do
Jr.
Biofísica
Membrana Celular
Prof. Dr. Walter F. de Azevedo Jr.
1
Ao lado temos um desenho
de uma célula animal, quando
falamos da membrana
celular (membrana
plasmática), estamos nos
referindo ao seu envoltório, a
barreira física que separa a
célula do meio ambiente. A
membrana apresenta uma
espessura aproximada de 60
Å ( 6.10-9 m), enquanto uma
célula típica tem dimensões
entre 1 m e 100 m
(micrômetros, 1 μm = 10-6 m ),
ou seja, no mínimo mil vezes
maior que a espessura da
membrana celular. Tenha em
mente o conceito de célula no
estudo dos fenômenos
elétricos da célula. 2
Diagrama esquemático com os componentes de uma célula animal. Disponível
em: < http://www.infoescola.com/wpcontent/uploads/2009/11/celula-animal.jpg >.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Modelo de Mosaico Fluido
Resumindo, a célula é
envolvida por um manto que
chamamos de membrana
plasmática ou membrana
celular. A espessura da
membrana é tipicamente
milhares de vezes menor
que a célula, como podemos
ver no desenho ao lado.
3
Disponível em : http://www.sobiologia.com.br/conteudos/Citologia/cito5.php.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Modelo de Mosaico Fluido
A principal função da membrana celular é
manter moléculas tão diversas como
proteínas e pequenos solutos no interior
da célula. A membrana funciona para
regular seletivamente sua
permeabilidade, ou seja, a facilidade
com a qual moléculas e íons atravessam
a membrana. O estudo da composição
da membrana faz uso de diversas
técnicas físicas, discutiremos a seguir o
Modelo de Mosaico Fluido da
membrana. No livro de Oparin, “A Origem
da Vida”, ele propôs que para qualquer
forma de vida, é necessária a presença
de uma barreira, que separe a parte “viva”
do meio que a cerca. Esse trabalho
destaca a necessidade de uma
membrana para isolar, até mesmo as
formas de vida mais simples, do meio
exterior. 4
Modelo computacional da bicamada fosfolipídica da
membrana celular.
Figura gerada com o programa Visual Molecular Dynamics
(VMD) as coordenadas atômicas para a bicamada
fosfolipídica foram obtidas do site:
http://people.ucalgary.ca/~tieleman/download.html .
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Modelo de Mosaico Fluido
Proteína intrínseca, ou
transmembrana
Proteína extrínseca
O Modelo de Mosaico Fluido indica dois tipos de proteínas
inseridas na bicamada lipídica (elipsóides cinzas). A proteína
da esquerda é uma proteína extrínseca e a da direita uma
proteína intrínseca. Os fosfolipídios são indicados com a
cabeça polar em preto e, a cauda hidrofóbica, pelas linhas
que saem da esfera preta.
Referência : Singer SJ, Nicolson GL. Science. 1972 ;175(23):720-
31.
Em 1972, Singer e Nicolson propuseram
um modelo para a membrana celular,
chamado de “Modelo de Mosaico Fluido”.
Nesse modelo temos a bicamada
lipídica, onde encontram-se inseridas
proteínas. O modelo prevê duas formas
de proteínas inseridas na membrana, uma
que atravessa toda a membrana,
chamada proteína intrínseca, ou
transmembranar. A segunda forma de
proteína, localiza-se parcialmente inserida
na membrana, sendo encontrada tanto no
exterior como voltada para o citoplasma.
Tal forma de proteína é chamada
extrínseca.
5
Modelo de Mosaico Fluido
O Modelo de Mosaico Fluido prevê a
passagem seletiva de íons pelas
proteínas intrínsecas. Entre as proteínas
intrínsecas temos os canais iônicos e as
bombas iônicas. Outra característica do
modelo, é liberdade de movimentação das
proteínas na bicamada lipídica. De acordo
com as características básicas do modelo,
estrutura em mosaico e difusão, previu-se
a liberdade lateral e rotatória, assim como
a distribuição aleatória de componentes
moleculares na membrana celular.
Moléculas apolares podem atravessar a
bicamada, já íons ficam retidos na
bicamada precisando da ação das
proteínas transmembranares para sua
passagem.
6
Proteína intrínseca, ou
transmembrana
Proteína extrínseca
Modelo de Mosaico Fluido
O Modelo de Mosaico Fluido indica dois tipos de proteínas
inseridas na bicamada lipídica (elipsóides cinzas). A proteína
da esquerda é uma proteína extrínseca e a da direita uma
proteína intrínseca. Os fosfolipídios são indicados com a
cabeça polar em preto e, a cauda hidrofóbica, pelas linhas
que saem da esfera preta.
7
Modelo de Mosaico Fluido
Membrana celular. Imagem disponível em:
<
http://en.wikipedia.org/wiki/Cell_membrane#mediaview
er/File:Cell_membrane_detailed_diagram_en.svg >.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Resumindo, a membrana
celular funciona como uma
barreira seletiva entre os
meios intracelular e
extracelular. Na estrutura
da membrana, destaca-se a
bicamada fosfolipídica, com
proteínas inseridas (modelo
de mosaico fluido). Além
das proteínas, há ainda
carboidratos ligados aos
fosfolipídios e às proteínas
e moléculas de colesterol
inseridas na bicamada.
Glicolipídio
Glicoproteína
Proteína
Extrínseca
Canal Iônico
Colesterol
Glicolipídio
Proteína Extrínseca
Proteína Intrínseca Citoesqueleto Proteína Extrínseca Hélice
Meio extracelular
Núcleo
Citoplasma
Bicamada
8
Modelo de Mosaico Fluido (Glossário)
Termo Função biológica
Carboidratos
(glicoproteínas e
glicolipídios)
Na membrana, os carboidratos aparecem ligados covalentemente aos
lipídios (glicolipídios) e às proteínas (glicoproteínas). Participam da
interação célula-célula, reconhecimento molecular e crescimento celular.
O processo de ligação do carboidrato à proteína o lipídio é chamado
glicosilação.
Canal iônico
Proteína
Extrínseca
CarboidratoCabeças Polares
Biocamada
Fosfolipídica
Glicoproteína
FosfolipídioColesterol
Glicolipídio
Proteína Extrínseca Filamentos do
Citoesqueleto
Meio Extracelular
Citoplasma
Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica
Proteína Intrínseca Proteína
Extrínseca
9
Modelo de Mosaico Fluido (Glossário)
Termo Função biológica
Proteína
extrínseca
Proteína parcialmente inserida na bicamada fosfolipídica, podendo está
voltada tanto para o meio extracelular como para o meio intracelular.
Exemplos de proteínas extrínsecas são proteínas G e enzimas que ficam
parcialmente inseridas na bicamada, como a fosfodiesterase.
Proteína
intrínseca
Essas proteínas atravessam toda extensão da bicamada fosfolipídica,
possibilitando comunicação entre os meios intracelular e extracelular. Os
canais iônicos e bombas iônicas são exemplos de proteínas intrínsecas.
Canal iônico
Proteína
Extrínseca
CarboidratoCabeças Polares
Biocamada
Fosfolipídica
Glicoproteína
FosfolipídioColesterol
Glicolipídio
Proteína Extrínseca Filamentos do
Citoesqueleto
Meio Extracelular
Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica
Proteína Intrínseca Proteína
Extrínseca
Citoplasma
Modelo de Mosaico Fluido (Glossário)
Termo Função biológica
Colesterol É responsável por manter a integridade da membrana e modula a sua
fluidez. Sua parte polar interage com a cabeça polar dos fosfolipídios e,
sua porção hidrofóbica, interage com as caudas hidrofóbicas dos
fosfolipídios. Sua molécula apresenta um sistema de anéis, que reduz a
fluidez da membrana.
Canal iônico
Proteína
Extrínseca
CarboidratoCabeças Polares
Biocamada
Fosfolipídica
Glicoproteína
FosfolipídioColesterol
Glicolipídio
Proteína Extrínseca Filamentos do
Citoesqueleto
Meio Extracelular
Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica
Proteína Intrínseca Proteína
Extrínseca
Citoplasma
11
Modelo de Mosaico Fluido (Glossário)
Termo Função biológica
Citoesqueleto Encontrado no citoplasma, fornece a base para o ancoragem de
proteínas e a formação de organelas que se estendem da célula.
Apresenta uma composição proteica. Em células eucarióticas são
encontradas as proteínas actina e tubulina na sua formação.
Canal iônico
Proteína
Extrínseca
CarboidratoCabeças Polares
Biocamada
Fosfolipídica
Glicoproteína
FosfolipídioColesterol
Glicolipídio
Proteína Extrínseca Filamentos do
Citoesqueleto
Meio Extracelular
Trecho em Hélice Alfa Cauda Hidrofóbica
Proteína Intrínseca Proteína
Extrínseca
Citoplasma
CH2 CH CH2 O P O X
O
O-O
C
R1
O
O
C
R2
O
Biomembranas são baseadas
principalmente em lipídios, com
predominância de fosfolipídios. A
estrutura química geral de uma molécula
de fosfolipídio é mostrada ao lado (figura
a). Tal molécula é basicamente um
glicerol (figura b), sobre o qual foram
ligadas as cadeias de ácidos graxos (R1
e R2). O grupo fosfato permite a ligação
covalente de outra molécula, designada
na figura por pelo grupo X. Um dos ácidos
graxos típicos encontrados nos
fosfolipídios é chamado ácido palmítico
(figura c) .
a)
b)
HO CH2 C CH2 OH
OH
H
Fosfolipídio
c)
Glicerol
Ácido palmítico
12
Fosfolipídios
A molécula de ácido palmítico (ou ácido
hexadecanóico) apresenta 16 carbonos e
31 hidrogênios. Tal ácido graxo é dito
saturado, pois apresenta o maior número
possível de hidrogênios ligados. A
presença de ligações duplas na cadeia de
ácido graxo indica que o mesmo é não
saturado. As duas cadeias R1 e R2 não
precisam ser homogêneas, ou seja,
podem apresentar cadeias de tamanhos
distintos. Nos fosfolipídios, uma parte da
molécula é polar, a cabeça hidrofílica ou
polar, e a parte apolar é composta pelas
duas cadeias de ácidos graxos. O
diagrama esquemático ao lado ilustra uma
molécula de fosfolipídio. Moléculas que
apresentam parte polar e parte
hidrofóbica são chamadas anfipáticas.
Na figura da abaixo temos a
representação CPK do fosfolipídio.
Cabeça polar
Caudas hidrofóbicas
Caudas hidrofóbicas
Cabeça polar
13
Fosfolipídios
Diversos modelos computacionais de
biomembranas foram construídos e
submetidos à simulação de dinâmica
molecular. Na dinâmica molecular,
podemos simular computacionalmente
aspectos sobre a mobilidade dos sistemas
moleculares, de forma que a interação da
bicamada fosfolipídica com moléculas de
água pode ser analisada. Tais simulações
usam diferentes componentes para a
formação da bicamada, no exemplo ao
lado foram usadas moléculas de 1-
palmitoil-2-oleoil-sn-glicerol-3-
fosfatidilcolina, formando uma caixa
retangular, onde temos moléculas de água
interagindo com a parte polar da
bicamada. No modelo computacional,
vemos claramente que as caudas
hidrofóbicas não interagem com as
moléculas d’água.
Hid
rofílic
a H
idro
fóbic
a H
idro
fílic
a
Modelo computacional da membrana
14
Modelo Computacional da Membrana Celular
Fosfolipídio original
Abaixo temos a descrição da montagem do modelo computacional da bicamada
fosfolipídica.
15
1) Montagem do
fosfolipídio. Podemos
usar as coordenadas
atômicas de um
fosfolipídio, obtidas
experimentalmente e
otimizar a estrutura
tridimensional
computacionalmente.
As coordenadas
atômicas do
fosfolipídio podem ser
determinadas por
cristalografia.
2) Montagem da
monocamada. As
coordenadas atômicas
do fosfolipídio original
são movimentadas
gerando cópias da
molécula original, só
que em outra posição.
O processo de cópia é
gerado aplicando-se
operações matemáticas
simples sobre as
coordenadas atômicas
do fosfoliídio.
Fosfolipídio transladado
3) Montagem da bicamada.
Após o descolamento de
dezenas de fosfolipídios,
temos um modelo da
bicamada fosfolipídica. O
modelo acima apresenta 128
moléculas, 64 em cada
camada.
4) Montagem da bicamada
com moléculas de água.
Moléculas de água são
distribuídas aleatoriamente
na estrutura da bicamada.
Após a simulação de
dinâmica molecular, as
moléculas de água localizam-
se nas partes hidrofílicas,
como mostrado acima,
Bicamada fosfolipídica
Bicamada fosfolipídica com água
Modelo Computacional da Membrana Celular
Podemos pensar que o modelo
computacional representa um fatia da
membrana celular, sem a presença de
proteínas. É como se tivéssemos cortado
uma fatia em formato de cubo da
biomembrana. Na simulação
computacional da membrana, as
moléculas de água posicionam-se nas
regiões polares, como era de se esperar. A
vantagem da simulação computacional, é
que uma vez confirmada a capacidade de
simulação de aspectos conhecidos, como
a interação com água, podemos adicionar
moléculas aos sistemas e prever seu
comportamento. Por exemplo, podemos
prever qual o comportamento de fármacos
com a bicamada. Tal simulação é de
interesse no desenvolvimento de
fármacos, visto que, para que possam
agir, a maioria dos fármacos têm que
atravessar a membrana.
Hid
rofílic
a H
idro
fóbic
a H
idro
fílic
a
Modelo computacional da membrana
Diagrama esquemático da membrana
Hid
rofílic
a H
idro
fóbic
a H
idro
fílic
a
16
Modelo Computacional da Membrana Celular
Muitas das proteínas, que interagem com
a membrana celular, apresentam regiões
em hélice alfa. Para entendermos esta
interação proteína-membrana, vamos
olhar alguns detalhes da estrutura da
hélice alfa. Uma hélice alfa, como
mostrada na figura a, tem as cadeias
laterais apontando para fora da hélice
(indicadas com setas). Tal hélice alfa pode
ser representada como um cilindro (figura
b). Nas figuras c e d temos a visão de
cima de cada uma das representações da
hélice alfa. As visões facilitam a
identificação das regiões hidrofóbicas e
hidrofílicas das hélices alfa, como nas
figuras c e d.
a) b)
c) d)
Cadeias laterais
Cadeias laterais
17
Interação Intermoleculares
Nas estruturas de feixes de hélices
transmembranares, verifica-se que a
parte da hélice que toca os lipídios é
relativamente mais hidrofóbica que a
parte que participa do contato hélice-
hélice. No diagrama esquemático à
direita, temos um feixe de 4 hélices (figura
b), onde vemos que a região entre as
hélices é mais hidrofílica que a região em
contato com a bicamada lipídica. A região
das hélices, em contato com as caudas
hidrofóbicas da bicamada fosfolipídica,
estão indicadas por setas.
a) Hélice transmembranar
b) 4 hélices transmembranares
Superfície mais hidrofóbica
Superfície mais hidrofílica18
Interação Intermoleculares
Apresentaremos o complexo proteico
centro de reação fotossintético da bactéria
púrpura R. viridis, como exemplo de
proteína transmembranar. O centro de
reação fotossintético é o local da etapa
inicial da captura de energia luminosa na
fotossíntese. Tal complexo proteico é
composto de quatro cadeias
polipeptídicas, indicadas na figura ao
lado, nas cores azul, vermelha, cinza e
dourado. A proteína apresenta uma
estrutura quaternária tetramérica. Há
também quatorze cofatores de baixo peso
molecular, indicados em amarelo. Entres
os cofatores temos cromóforos, que
absorvem a energia luminosa, que é
convertida em potencial eletroquímico,
através da membrana.
Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J.
8:2149-2170.19
Interação Intermoleculares
Na representação ao lado, os resíduos de
aminoácidos hidrofóbicos estão em cinza,
os polares em verde, os ácidos em
vermelho e os básicos em azul. Átomos
pertencentes aos cofatores estão em
ciano. Vemos claramente uma
heterogeneidade na distribuição de
cargas na superfície das proteínas. No
centro temos uma região
preponderantemente hidrofóbica, e nas
partes superior e inferior uma
concentração de resíduos de aminoácidos
carregados e polares, o que caracteriza
uma região hidrofílica.
Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989) EMBO J.
8:2149-2170.
132 Å
72 Å
Hid
rofí
lica
Hid
rofó
bic
a
Hid
rofí
lica
20
Interação Intermoleculares
A representação à direita indica os
elementos de estrutura secundária,
notadamente: hélices, fitas e regiões de
alças, conectando as hélices e fitas. As
cadeias L e M (estruturas do meio)
apresentam preponderantemente hélices,
enquanto o citocromo (estrutura de cima)
e a cadeia H (estrutura da parte debaixo)
apresentam outros elementos de estrutura
secundária.
Observação: As coordenadas atômicas
usadas para representar a estrutura do
centro de reação fotossintético estão
depositadas no banco de dados de
estruturas PDB (Protein Data Bank), com
código de acesso: 1PRC. O endereço do
PDB é www.rcsb.org/pdb . Essa estrutura
foi a primeira proteína transmembranar a
ter sua estrutura elucidada por
cristalografia por difração de raios X.
Cadeia H
Cadeia MCadeia L
Citocromo
21
Interação Intermoleculares
A estrutura do centro de reação
fotossintético não foi determinada em
contato com a membrana celular, mas a
partir da análise de sua estrutura
cristalográfica isolada, podemos elaborar
uma hipótese de como a proteína interage
com a membrana. Vamos destacar os
principais aspectos da estrutura da
proteína.
1) Apresenta 4 cadeias polipeptídicas,
sendo que duas delas se destacam pela
participação majoritária de hélices na sua
estrutura, as cadeias L e M mostradas na
figura ao lado.
22
Cadeia H
Cadeia MCadeia L
Citocromo
Interação Intermoleculares
2) As cadeias L e M apresentam
preponderância de resíduos de
aminoácidos hidrofóbicos na superfície da
proteína, como indicado na figura ao lado.
3) A análise da estrutura indica um padrão
de hidrofobicidade na forma de sanduíche.
O citocromo hidrofílico, as cadeias L e M
hidrofóbicas e a cadeia H hidrofílica.
4) A dimensão maior da proteína chega a
132 Å de comprimento.
5) A bicamada fosfolipídica apresenta uma
espessura de aproximadamente 60 Å,
como mostrado abaixo.
23
132 Å
72 Å
Hid
rofí
lica
Hid
rofó
bic
a
Hid
rofí
lica
60 Å
Interação Intermoleculares
6) A bicamada fosfolipídica apresenta um
padrão de hidrofobicidade da forma de
sanduíche, onde a parte hidrofóbica fica no
meio de duas partes opostas hidrofílicas,
como mostrada na figura ao lado.
7) Do ponto de vista físico-químico,
esperamos que as partes hidrofóbicas da
proteína apresentem interação com as
partes hidrofóbicas da membrana.
Esperamos, também, interações entre as
partes hidrofílicas da proteína com as
cabeças polares da bicamada fosfolipídica.
Considerando as observações
experimentais destacadas anteriormente,
podemos levantar uma hipótese científica
sobre a interação do centro de reação
fotossintético com a membrana celular.
24
Hid
rofí
lica
Hid
rofó
bic
a
Hid
rofí
lica
Interação Intermoleculares
Citoplasma
Meio extracelular
25
Centro de reação
fotossintético da
bactéria púrpura R.
viridis.
Bicamada fosfolipídica.
?
Interação Intermoleculares
Citoplasma
Interação das cadeias L e M (vermelho e cinza) do
centro de reação fotossintético com a bicamada lipídica.
Hélice alfa é a estrutura secundária
comumente encontrada em segmentos
transmembranares de proteínas de
membranas. Normalmente temos a
combinação de vários segmentos de
hélice, formando feixes de hélices
transmembranares, como nas estruturas
das cadeias L e M da estrutura do
centro de reação fotossintético mostrada
ao lado. A partir da análise da estrutura
do centro de reação fotossintético,
podemos propor um modelo para
interação da proteína com a membrana.
No modelo temos que a parte
hidrofóbica, formada por hélices,
interage com a membrana celular,
conforme indicado no diagrama
esquemático ao lado.
Meio extracelular
26
Interação Intermoleculares
Outra estrutura possível para proteínas
transmembranares é a folha beta. Um
arranjo onde a folha beta fecha-se sobre
si forma um arranjo similar a um barril,
sendo denominado barril beta. A estrutura
em barril proporciona as características
físico-químicas desejáveis para uma
proteína transmembranar, tal como
blindagem dos átomos da cadeia principal
que participam de ligações de hidrogênio.
A figura ao lado mostra a estrutura de
uma porina. As porinas criam canais na
membrana permitindo a passagem de
moléculas de baixa massa molecular
(inferior a 700 Da), tais como moléculas
de água, íons, glucose e outros
nutrientes.
Barril beta da porina de Rhodopseudomonas blastica.
Código de acesso PDB: 8PRN
27
Interação Intermoleculares
Venenos de serpentes podem ser
pensados como coquetéis de proteínas e
peptídeos, que apresentam um vasto
espectro de atividades biológicas, entre
elas muitas de interesse farmacológico.
Há dois objetivos principais nos estudos
dos componentes dos venenos de
serpentes. Um focado nos soros e
possíveis inibidores para os acidentes
ofídicos, que ainda ocorrem no Brasil e no
resto do mundo. Outro foco está centrado
nas propriedades farmacêuticas dos
componentes dos venenos.
Cobras brasileiras. Bothrops jararacussu (Jararaca).
Disponível em: <
http://www.cobrasbrasileiras.com.br/bothrops_jararacussu.h
tml >.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
28
Interação Intermoleculares
Entre as proteínas identificadas nos
venenos, destacam-se as
metaloproteases e as fosfolipases A2
(discutidas aqui). As fosfolipases A2 são
enzimas que catalisam a clivagem de
fosfolipídios, componentes da membrana.
Tal enzima foi intensivamente estudada e
está presente no veneno de diversas
serpentes. Entres suas atividades,
destacam-se a atividade miotóxica,
apresentada pelo veneno das serpentes
do gênero Bothrops. A ação miotóxica é
responsável por danos extensos no tecido
muscular, se não tratada. A fosfolipase A2
apresenta 122 resíduos de aminoácidos
em sua estrutura primária, e sua
estrutura 3D foi elucidada por técnicas de
difração de raios X. A estrutura apresenta
6 hélices principais, indicadas por
cilindros azuis e duas fitas em amarelo.
C
N
Estrutura da fosfolipase A2 de Bothrops jararacussu.
29
Interação Intermoleculares
Estudos estruturais das fosfolipases A2
lançaram as bases moleculares para o
entendimento da atividade miotóxica. A
hipótese mais aceita, estabelece que a
clivagem dos fosfolipídios da membrana
celular levam à ação miotóxica. Modelos
computacionais da interação da
fosfolipases A2 com a membrana
identificaram detalhes da interação, como
mostrado ao lado. A fosfolipase A2 , uma
proteína rica em hélices (indicadas como
cilindros azuis), apresenta interações
eletrostática e hidrofóbica com a
membrana, o que possibilita a
desestruturação desta e a consequente
atividade tóxica. A simulação
computacional indicou que a ligação da
fosfolipase A2 à membrana, desloca
moléculas de água, o que pode facilitar a
interação da enzima com os fosfolipídios.
Disponível em:<
http://www.ks.uiuc.edu/Research/smd_imd/pla2/>.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Modelo computacional da interação da fosfolipase A2 com a
monocamada da membrana. Os fosfolipídios são indicados
com caudas hidrofóbicas em verde.
30
Interação Intermoleculares
Canais de K+ são proteínas
transmembranes que permitem a saída de
íons de potássio da célular. A habilidade
mostrada pelos canais de K+ dependentes
de voltagem, de permitirem
majoritariamente a saída de íons de K+, é
conseguida por meio de um filtro de
seletividade, presente numa das
extremidades do poro. A figura ao lado
ilustra a passagem de íons de K+ (esferas
verdes) pelo canal de K+. A região
mostrada é a parte do filtro. Em solução,
os íons de K+ apresentam-se envolvidos
por 8 moléculas de água (esferas
vermelhas), formando uma camada de
hidratação. A esferas de hidratação dos
íons de K+, acomodam-se no canal de K+ e
começam a perder as moléculas de água,
a interação com a água é substituída pela
interação com os oxigênios das carbonilas
do canal de K+ dependente de voltagem.
Interação intermolecular do canal de K+ dependente de
voltagem com íons de K+ (esferas verdes).
Disponível em:
<http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momID=38 >.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Meio extracelular
Citoplasma
31
Canais Iônicos
Esfera
de hidratação
A região do canal de K+, que captura a
esfera envoltória de K+, apresenta um
tamanho preciso para uma interação
favorável com a camada de hidratação
envoltória de K+. No caso do íon de Na+, a
esfera envoltória é menor que a do K+,
levando a uma interação fraca com o canal
de K+. Assim, o sistema da esfera de Na+,
não tem uma interação favorável com o
canal de K+, permanecendo no interior da
célula. Podemos pensar que a esfera de
hidratação do Na+, por ser menor que a do
K+, está frouxamente ligada ao canal de K+
dependente de voltagem, o que não é
favorável para a perda das moléculas de
água e posterior passagem pelo canal.
32
Canais Iônicos
Animação mostra a difusão de íons pelo canal iônico.
Disponível em: <
http://leavingbio.net/OSMOSIS%20AND%20DIFFUSION.htm
>.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
Meio extracelular
Citoplasma
A estrutura do canal de K+ dependente
de voltagem de Streptomyces lividans
apresenta estrutura quaternária
tetramérica (4 cadeias polipeptídicas),
representadas na figura ao lado. Cada
cadeia é formada por três hélices
transmembranares e um loop (laço), o
íon de potássio está representado no
centro do tetrâmero em verde. Também
vemos o loop P e a hélice P, que são
responsáveis pela seletividade iônica
(indicados em azul). O loop P é formado
pelo resíduos Gly-Tyr-Gly, que estão
alinhados de forma a estreitar o funil
formado pela estrutura do canal.
Estamos olhando do meio extracelular
para o meio intracelular. Canal de K+ dependente de voltagem visto do meio
extracelular para o meio intracelular. Código de acesso PDB:
1BL8.
Fonte: Sansom, MS. Current Biology 1998, 8:R450–R452
http://biomednet.com/elecref/09609822008R0450 33
Canais Iônicos
O canal de K+ dependente de voltagem
forma uma passagem na membrana
celular. Tal passagem é altamente
seletiva por K+ e sensível à mudança de
potencial elétrico. A parte intracelular do
tubo do canal de K+ apresenta uma
cavidade de 10 Å de diâmetro. A
cavidade está alinhada com resíduos
hidrofóbicos e preenchida por moléculas
de água. As dimensões dests cavidade,
permitem um ajuste ideal para interação
com os íons de K+.
Canal de K+ dependente de voltagem visto do meio
extracelular para o meio intracelular. Código de acesso PDB:
1BL8.
Fonte: Sansom, MS. Current Biology 1998, 8:R450–R452
http://biomednet.com/elecref/09609822008R0450 34
Canais Iônicos
A figura a lado mostra um zoom da
região que interage com o íon de K+. A
carga positiva do íon de K+ interage
eletrostaticamente com os oxigênios das
carbonilas dos resíduos de Tyr58, com
as distâncias interatômicas variando de
3,07 a 3,21 Å. Os oxigênios das
carbonilas não apresentam uma carga
elétrica completa, mas uma carga
elétrica parcial negativa, que sofre
atração eletrostática pela carga positiva
do íon de K+. O íon de K+ é mostrado
pela esfera verde no centro da figura.
A figura acima mostra a interação do íon de potássio (esfera
verde) com 4 carbonilas. Cada carbonila pertence à tirosina
58, que está presente em cada monômero da estrutura do
canal de K+ dependente de voltagem . Código de acesso PDB:
1BL8.
35
Canais Iônicos
Na figura ao lado, vemos a superfície
molecular do canal de K+ dependente de
voltagem. A coloração azul indica carga
relativa positiva, a vermelha carga
relativa negativa e a azul ciano carga
neutra. O íon de K+ (indicado pela esfera
verde no centro da estrutura) sofre
interação eletrostática com as
concentrações de cargas negativas do
canal de K+ . A estrutura quaternária do
canal iônico fica clara na figura, com 4
cadeias polipeptídicas. A estrutura do
canal de K+ dependente de voltagem é
chamada homotetrâmero, ou seja, um
tetrâmero com 4 monômeros idênticos.
Superfície molecular do canal de K+ dependente de
voltagem. A figura mostra a visão do meio extracelular,
como se observássemos do meio extracelular para o meio
intracelular. Código de acesso PDB: 1BL8.
36
Canais Iônicos
Podemos fazer uma analogia do canal
de K+ dependente de voltagem com uma
maçã, onde a visão da molécula ao lado
é análoga à visão da deliciosa maçã
mostrada na foto abaixo.
Superfície molecular do canal de K+ dependente de
voltagem. A figura mostra a visão do meio extracelular,
como se observássemos do meio extracelular para o meio
intracelular. Código de acesso PDB: 1BL8.
37
Canais Iônicos
Usando a maçã, podemos imaginar o que temos que fazer para visualizarmos o
interior da maçã, como se quiséssemos observar o interior do canal de K+ dependente
de voltagem. Na primeira foto à esquerda, temos a maçã inteira, vista de cima. Na foto
seguinte, temos a maçã com a quarta parte removida. Na terceira foto, temos a maçã
com a quarta parte removida vista de perfil.
38
Canais Iônicos
Agora temos o análogo do canal de K+ dependente de voltagem, mostrado abaixo de
cada foto da maçã, deixando clara a visualização do interior do canal na última figura
da direita. A primeira figura da molécula vemos o canal por cima, na segunda com um
dos monômeros retirados e, por último, de perfil, vemos o interior do canal de K+
dependente de voltagem.
39
Canais Iônicos
Na figura ao lado removemos o
monômero B, o que possibilita
visualizarmos o interior do canal de K+. A
figura foi girada 90º em relação à figura
vista de cima. O tubo formado permite a
passagem do íon de K+ do meio
intracelular (parte de baixo) para o meio
extracelular (parte de cima). Na parte de
baixo, vemos uma região essencialmente
hidrofóbica, no centro do canal (indicada
por uma circunferência branca), esta
região apresenta uma cavidade, que
permite a passagem dos íons de K+.
Podemos pensar que esta cavidade é
uma antecâmara, onde o íon de K+
despe-se de sua camada de solventes
(as 8 moléculas de água que cercam o
íon).
Cavidade hidrofóbica
Superfície molecular do canal de K+. A figura mostra a
visão de perfil do canal. Código de acesso PDB: 1BL8.
40
Canais Iônicos
O íon de K+ intracelular é capturado e
desloca-se para a cavidade hidrofóbica,
indicada pela circunferência branca.
Acima desta cavidade temos o loop P,
com a sequência de resíduos de
aminoácido Gly-Tyr-Gly, que estreitam o
tubo que liga ao meio extracelular,
selecionando os íons de K+. A presença
de resíduos glicina (Gly) no loop P
confere grande flexibilidade estrutural a
esta região da proteína.
Cavidade hidrofóbica
Loop P
Superfície molecular do canal de K+. A figura mostra a
visão de perfil do canal. Código de acesso PDB: 1BL8.
41
Canais Iônicos
Como já destacamos anteriormente, um
aspecto estrutural comum a muitas
proteínas intrínsecas é a presença de
hélices na região transmembranar. Na
estrutura do canal de K+ vemos um feixe
de hélices interagindo com as caudas
hidrofóbicas da bicamada fosfolipídica,
como mostrado ao lado. O canal de K+
tem um aspecto de cone, como se fosse
uma casquinha de sorvete.
K+
Citoplasma
Meio extracelular
Estrutura do canal de K+ dependente de voltagem
interagindo com a bicamada fosfolipídica. Código de
acesso PDB: 1BL8.42
Canais Iônicos
Os canais iônicos permitem a difusão de íons, esse fenômeno pode ser estudado a
partir de uma analogia com uma cuba de vidro, onde temos cloreto de sódio ( 5 % de
NaCl) dissolvido de um lado da cuba e do outro água pura. Os dois sistemas estão
separados por uma membrana permeável ao NaCl e à água. Como a membrana é
permeável, ocorre a difusão, que leva as moléculas de água do lado direito a
movimentar-se para o setor do lado esquerdo e, os íons de NaCl, a difundirem-se para
o lado direito.
43
Difusão
5 % de NaCl
dissolvido em água0 % de NaCl
dissolvido em água
Com a difusão o sistema atinge o equilíbrio, onde a concentração salina é idêntica em
ambos os lados. Considerando-se que o volume é o mesmo em ambos os lados, e que
a concentração inicial de NaCl do lado esquerdo era 5 % e 0% do lado direito, temos,
no equilíbrio, 2,5 % de NaCl em ambos os lados. O fenômeno da difusão é dependente
da temperatura do sistema, pois, conforme aumentamos a temperatura, aumentamos a
energia cinética dos componentes do sistema (água e NaCl).
44
Difusão
2,5 % de NaCl
dissolvido em água2,5 % de NaCl
dissolvido em água
45
Osmose
5 % de NaCl
dissolvido em água0 % de NaCl
dissolvido em água
Quando trocamos a membrana permeável, por uma semipermeável, observamos o
fenômeno da osmose. Na osmose temos a transferência de moléculas de água da
região com baixa concentração de soluto (lado direito da cuba), para uma região com
alta concentração de soluto (NaCl), lado esquerdo da cuba. Assim, temos uma pressão
atuando do lado direito para o lado esquerdo, a pressão osmótica (). O fluxo de
água do lado direito para o esquerdo é chamado de fluxo osmótico.
46
Osmose
2,5 % de NaCl
dissolvido em água0 % de NaCl
dissolvido em água
Abaixo temos a situação que ocorre quando o equilíbrio é atingido. A pressão da
coluna de líquido do lado esquerdo compensa a pressão osmótica. A pressão
osmótica () depende da concentração do soluto (CM), da temperatura em Kelvin (T) e
da constante dos gases (R = 0,0821 L atm mol–1 K–1), conforme a equação abaixo:
RTCM
47
Osmose
Steve Lower's Web site. Osmosis and osmotic pressure. Disponível em:
<http://www.chem1.com/acad/webtext/solut/solut-4.html >. Acesso em: 23
de agosto de 2015.
Hipertônica Isotônica Hipotônica
A hemácias apresentam alta permeabilidade na membrana, com uma concentração
intracelular aproximada de 0,85 % de NaCl, em condições fisiológicas. Assim, numa
situação onde a concentração salina no meio extracelular, é maior que no meio
intracelular (solução hipertônica), temos o encolhimento das células. Numa situação
onde a concentração salina extracelular, é bem menor que no meio intracelular
(solução hipotônica), temos a lise (quebra) das células, chamada de hemólise.
Quando a solução extracelular, apresenta uma concentração salina próxima à
intracelular, temos uma solução isotônica.
48
Osmose
O gráfico abaixo ilustra a hemólise em função da concentração salina extracelular.
Vemos que conforme diminuímos a concentração salina extracelular (solução
hipotônica), aumentamos a hemólise.
Cell Biology OLM | Authored by Stephen Gallik, Ph. D. | URL: cellbiologyolm.stevegallik.org |
Copyright © 2011 Stephen Gallik, Ph. D.
Gráfico da hemólise em função da concentração salina. Disponível em: < http://cellbiologyolm.stevegallik.org/node/64 >.
Acesso em: 23 de agosto de 2015.
No nosso estudo de fenômenos elétricos da
célula, focaremos na membrana celular, boa
parte desses fenômenos serão discutidos
para entendermos o funcionamento elétrico
dos neurônios. Os neurônios são células
nucleadas, que apresentam um corpo
central, chamado soma. Essas células
apresentam grandes variações de forma,
assim para os propósitos dos nossos
estudos, vamos considerar que o neurônio
apresenta a estrutura básica, mostrada no
diagrama esquemático ao lado. No diagrama
temos, além do corpo celular, dendritos e
um terminal único, chamado axônio. O
axônio é responsável pela transmissão do
impulso nervoso. Podendo ser bem
extenso, comparado com o resto do
neurônio. Uma descrição detalhada da
estrutura do neurônio e de outras células
será apresentada na disciplina “Biologia
Celular e Tecidual”.49
Axônio
Terminais axonais
Corpo celular
Núcleo
Diagrama esquemático de um neurônio.
Estrutura Básica do Neurônio
Vimos que a célula apresenta proteína intrínsecas, responsáveis pelo transporte
passivo de íons pela membrana. Especificamente, vimos, em detalhes, o
funcionamento do canal de potássio. Além dos canais iônicos, relacionados ao
transporte passivo de íons, ou seja, sem gasto de energia e descritos pelos
fenômenos de difusão e osmose, temos, também, o transporte ativo de íons na
membrana. Nesse tipo de transporte, a proteína envolvida é a bomba iônica. Na aula
de hoje veremos a bomba de sódio e potássio, representada no diagrama abaixo.
50
ATP
Na+ Meio intracelular
Meio extracelular
Bomba de Sódio e Potássio
K+
Bomba de Sódio e Potássio
A bomba de sódio e potássio é uma proteína intrínseca com atividade enzimática.
Ela catalisa a clivagem da molécula adenosina trifosfato (ATP), atividade de
ATPase. ATP (mostrado nas figuras abaixo) é um nucleotídeo contendo 3 grupos
fosfatos. ATP é uma reserva de energia química para o metabolismo celular.
a) ATP (Estrutura 2D) b) ATP (estrutura 3D)
51
Bomba de Sódio e Potássio
A ação da bomba de Na+/K+ segue as seguintes etapas:
1) A bomba de Na+/K+ , com ATP ligado, liga-se a 3 íons de Na+ intracelulares.
2) ATP é hidrolisado, causando a fosforilação de um resíduo de aspartato, da bomba
de Na+/K+ com a liberação de uma molécula de adenosina difosfato (ADP).
3) A mudança estrutural da bomba de Na+/K+, leva a uma exposição os íons de Na+
que, por apresentarem baixa afinidade pela bomba de Na+/K+, são liberados para o
meio extracelular.
4) A bomba de Na+/K+ liga-se a 2 íons de K+ extracelulares, isto causa a
desfosforilação da bomba, trazendo-a de volta à sua conformação anterior,
transportando K+ para dentro da célula.
5) A forma desfosforilada da bomba de Na+/K+ apresenta afinidade mais alta por íons
de Na+, os íons de K+ são liberados, a molécula de ATP liga-se à bomba.
6) O sistema está pronto para um novo ciclo.
52
Bomba de Sódio e Potássio
ATP PIADP
PI
PI
PI
ATP
ATP
Na+
Na+
K+
1 2
3
45
6
Meio intracelular
Meio extracelular Meio extracelular Meio extracelular
Meio extracelular Meio extracelularMeio extracelular
Meio intracelular Meio intracelular
Meio intracelularMeio intracelularMeio intracelular
53
Bomba de Sódio e Potássio
PI
Na+
Meio extracelular
Meio intracelular
K+
O meio intracelular de um neurônio, na ausência de estímulos, apresenta um
potencial elétrico negativo com relação ao meio extracelular, chamado potencial de
repouso. Proteínas intrínsecas, chamadas canais de K+, apresentam-se abertos,
permitindo a saída de íons de K+ . Assim, a saída de íons K+, deixa um excesso de
carga negativa no interior da célula e, como resultado, um potencial negativo. A ação
conjunta da bomba de Na+/K+ e do canal de K+ leva a um acúmulo de carga positiva
no meio extracelular. Tal situação, tem como consequência, uma diferença de
potencial negativa do meio intracelular com relação ao meio extracelular. Se
colocarmos um eletrodo no interior de um neurônio em repouso, teremos um
potencial elétrico de algumas dezenas de milivolts negativos.
Bomba de Na+/K+ canal de K+
54
Potencial de Repouso da Célula
Aproximadamente um terço de todo ATP
da célula é usado para o funcionamento
da bomba de Na+/K+, o que indica a
importância para o metabolismo celular da
bomba de Na+/K+. Em 2007 foi elucidada
a estrutura tridimensional da bombam de
Na+/K+, mostrada na figura ao lado (Morth
et al., 2007). A análise da estrutura
indicou uma divisão clara de regiões
hidrofóbicas e hidrofílicas, que sugerem a
inserção na bomba de Na+/K+ na
membrana, conforme o modelo mostrado
no próximo slide.
Referência: Morth JP, Pedersen BP, Toustrup-Jensen MS,
Sørensen TL, Petersen J, Andersen JP, Vilsen B, Nissen P.
Nature. 2007;450(7172):1043-9.
55
Potencial de Repouso da Célula
Meio extracelular
Citoplasma
Referência: Morth JP, Pedersen BP, Toustrup-Jensen MS,
Sørensen TL, Petersen J, Andersen JP, Vilsen B, Nissen P.
Nature. 2007;450(7172):1043-9.
A bomba de Na+/K+ apresenta um domínio rico em hélices, que estão em contato com
a parte hidrofóbica na bicamada, como indicado abaixo.
56
Potencial de Repouso da Célula
Como vimos anteriormente, o potencial de repouso é resultado da ação conjunta da
bomba de Na+/K+ e do canal de K+. A bomba de Na+/K+ envia 3 íons de Na+ para o
meio extracelular e 2 íons de K+ para o meio intracelular, com gasto de uma molécula
de ATP (adenosina trifosfato). Aproximadamente um terço do ATP gasto pela célula é
usado pela bomba Na+/K+ para manter este fluxo iônico. O canal de K+ permite que o
excesso de K+ seja expelido da célula, sem gasto de ATP. A ação conjunta das duas
proteínas intrínsecas, leva a uma perda de carga positiva pela célula, causando o
aparecimento de um potencial negativo no meio intracelular, este potencial é chamado
de potencial de repouso, pois não precisamos de estímulo externo para gerá-lo.
Bomba
de
Na+/K+
Na+
K+
K+
Citoplasma
Meio extracelular
Canal
de
K+
57
Potencial de Membrana
Na aula de hoje, vimos a estrutura da
membrana celular, um tópico de interesse
da Biologia Celular e Tecidual. O estudo
das forças que regem a formação da
bicamada, está relacionada à Física. A
estrutura molecular dos componentes da
membrana, é objeto de estudo da
Química, Bioquímica Estrutural e Biologia
Molecular. O estudo da penicilina está
relacionada à Farmacologia.Aula de
hoje
Química
Física
Bioquímica
Estrutural
Biologia
Celular e
Tecidual
58
Relação com Outras Disciplinas
Biologia
Molecular
Farmacologia
Segue uma breve descrição de dois sites relacionados à aula de hoje. Se você tiver
alguma sugestão envie-me ([email protected] ).
1) http://www.susanahalpine.com/anim/Life/memb.htm . Este site mostra animações
flash do modelo de mosaico fluido.
2) http://www.brookscole.com/chemistry_d/templates/student_resources/shared_reso
urces/animations/ion_pump/ionpump.html . Este site mostra uma animação com o
funcionamento da bomba de sódio e potássio.
3) http://www.blackwellpublishing.com/matthews/default.html . Este site traz
animações figuras e testes sobre neurobiologia. É um site de apoio ao livro de
Matthews GG. Neurobiology.
4) http://www.rcsb.org/pdb/101/motm.do?momID=38 . Nesse site temos uma
descrição da estrutura do canal de K+ dependente de voltagem.
59
Material Adicional (Sites Indicados)
1)Explique o modelo de mosaico fluido.
2)Explique o potencial de repouso da célula.
60
Questões
OLIVEIRA, Jarbas Rodrigues de; WACHTER, Paulo Harald; AZAMBUJA, Alan Arrieira.
Biofísica para ciências biomédicas. Porto Alegre: EDIPUCRS, 2002. 313 p.
OKUNO, Emiko; CALDAS, Iberê Luiz; CHOW, Cecil. Física para ciências biológicas e
biomédicas. São Paulo: Harper & Row do Brasil, 1982. 490 p.
PURVES, W. K., SADAVA, D., ORIANS, G. H., HELLER, H. G. Vida. A Ciência da
Biologia. 6a ed. Artmed editora. 2002.
61
Referências
