Biomembranas

Capítulo 5 (5.1 e 5.2) – LodishCap. 11-12 Alberts (“Fundamentos...”)

As biomembranas formam estruturas fechadas

• A estrutura da bicamada é similar para as biomembranas;

• Composição lipídica e protéica;

• Delimitam compartimentos;

• Controlam o movimento de moléculas;

Grupos de cabeças polares

Caudas hidrofóbicas

Grupos de cabeças polares

Bicamada da membrana

Face exoplásmica

Face citosólica

Propriedades da bicamada

• Barreira impermeável a compostos hidrofílicos;

• Estabilidade:mantida por interações hidrofóbicas e van de Waals

mantém sua arquitetura mesmo com variações de pH e força iônica do ambiente externo

Composição lipídica

colesterol

TODAS SÃO MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS !

Fosfoglicerídeos

(fosfatidilcolina)

Cabeça polar

esfingolipídeos

Fosfoglicerídeos

As 2 cadeias acil graxas podem diferir:

-No número de C (~16 a 18);

-No grau de saturação (0, 1 ou 2 =);

O fosfoglicerídeo éclassificado segundo a natureza de sua cabeça polar.

Cauda hidrofóbica

Fosfoglicerídeos Cabeça polar

Fosfoglicerídeos

Esfingolipídeos

Derivados da esfingosina = um álcool amino com uma longa cadeia de hidrocarbonos.

A SM, o esfingolipídeo mais abundante (é um fosfolipídeotambém)

esfingomielina

glicosilcerebrosídeo

Colesterol

Especialmente abundante nas membranas plasmáticas de células de mamíferos.

Não pode formar estrutura de bicamada, exceto quando misturados a fosfolipídeos.

Efeito hidrofóbico:H2O se organiza ao redor

Formam bicamadas…

Fosfolipídeos dispersos em água espontaneamente formam esferas chamadas lipossomas.

Cavidade aquosa

Fluidez da bicamada:

Uma bicamada de fosfolipídeos pode existir em2 estados físicos dependendo da temperatura:

- estado gel: em baixas temperaturas(baixa fluidez no plano da bicamada)

- estado fluido (aumento temperatura)

Membranas biológicas são fluidas...

A temperatura de mudança de gel-fluido é ditatemperatura de transição.

depende da natureza química dos componentes da membrana.

http://www.umass.edu/microbio/rasmol/cutlips.htm#gifs

FLUIDEZ

Cadeias acil graxas insaturadas = menos interações…membrana + fluida

Cadeias acil graxas curtas= > fluidez

Longas caudas saturadas= estado gel

bactérias, leveduras adaptam-se: altas T produzemlípideos com caudas mais longas e saturadas

Plantas: produzem lipídeos insaturados (fluidos)

Animais: já produzem gorduras saturadas, portanto, seuslipídeos são mais “sólidos”

Colesterol = torna as membranas menos fluidase menos permeáveis

Fluidez permite:• rápida difusão das proteínas de membrana no plana bicamada• interação com outras proteínas• fusão de membranas diferentes com a consequente

redistribuição dos lipídeos e proteínas

Fluidez da bicamada dependende de sua composição

Colesterol x fluidez

Movimento dos lipídeos nas bicamadas

• A movimentação térmica permite que as moléculas lipídicasmovimentem-se no plano da bicamada.

“flip-flop” é raro

Difusão lateral107x/seg

Rotação

O colesterol apresenta efeito de ordenamento na bicamada de PC

Efeito da composição de lipídeos na curvatura da membrana

Composição de lipídeos x propriedades físicas da membrana

• Propriedades características de cada membrana dadas por uma composição particular de lipídeos;

• Podem refletir uma especialização

Assimetria dos lipídeos

Aumentam a fluidez Diminuem a fluidez

Membranas biológicas

Proteínas de membrana• A bicamada lipídica promove a estrutura básica de todas as membranas

celulares e é uma barreira semipermeável a moléculas.

• A maior parte das funções da membrana são desempenhadas pelas proteínas de membrana. Podem ser:- transportadoras-âncoras;-receptoras-catalisadoras (enzimas)

Como as proteínas de membrana se associam a bicamada lipídica?

Proteínas integrais de membrana: é preciso “desmontar” a bicamada para extraí-las

Proteínas periféricas de

membrana

Bicamada lipídica

As hélices α embebidas na membrana são as estruturas secundárias predominantes nas proteínas transmembrana

Modelo estrutural da bacteriorrodopsina, que atua como fotorreceptor em algumas bactérias (exporta H+ ativamente)

“Barris” de fitas β podem atravessar a membrana

Modelo de uma porina (OmpX) encontrada na membrana externa de E. coli

periplasma

Princípios do transporte

• Há diferenças entre a composição dentro e fora da célula;

• A distribuição de íonsdentro e fora da célula é controlada por proteínas transportadoras na membrana e, em parte, pelas características de permeabilidade da própria bicamada.

As bicamadas são impermeáveis a solutos e íons

• A taxa de difusão de uma molécula qualquer varia dependendo de seu tamanho e de suas características de solubilidade...

Em geral:quanto menor e + hidrofóbico, + rápido se difunde

• Transportadores são necessários!!

As proteínas de membrana pertencem àduas classes

• Proteínas carreadoras:– Permitem a passagem apenas da molécula soluto que se

encaixa no seu sítio de ligação e transfere-na através da membrana por alteração conformacional.

• Proteínas de canais– Discriminam a molécula com base no tamanho e carga elétrica;– Se o canal está aberto, moléculas de tamanho e carga

apropriados podem passar.

• São proteínas transmembrana• Cada uma fornece uma passagem privada via membrana para uma

molécula particular

As proteínas de membrana pertencem àduas classes

Transporte passivo ou ativo?A direção depende de [soluto] relativas, em grande parte.

– TRANSPORTE PASSIVO = moléculas fluem de regiões ↑ [ ] para ↓[ ] – TRANSPORTE ATIVO = moléculas vão contra um gradiente de [ ]

Proteínas carreadoras• Transportam moléculas orgânicas pequenas (açúcares,

aminoácidos, nucleotídeos, etc.);• Altamente seletivas;• Cada membrana têm seu conjunto próprio;• Facilitam transportes ativo e passivo;

Carreador de glicose: mudança conformacional da proteína carreadora pode mediar o transporte passivo de um soluto como glicose

Carreador de glicose da membrana plasmática de células hepáticas de mamíferos

• Numa conformação o carreador expõe sítios de ligação p/ glicose no exterior da célula, noutra expõe sítios no interior...

• Embora passivo, o transporte é seletivo!• A direção é dada pelo gradiente de [ ]

Para moléculas carregadas...

A maioria das membranas possui uma diferença no potencial elétrico em cada lado

Potencial de membrana

Essa diferença de potencial exerce uma forçaem qualquer molécula eletricamente carregada...

Em geral: o lado citoplasmático está com potencial negativo em

relação ao lado de fora, Há uma tendência a “puxar’’ cátions e impelir ânions, mas o soluto

também tende a mover-se de acordo com seu gradiente de [ ].

Assim:

• As forças do gradiente de [ ] + voltagem através da membrana geram

Gradiente eletroquímico de soluto (força motriz líquida)

Determina a direção do transporte passivoatravés da membrana

O transporte ativo move solutos contra seu gradiente eletroquímico

O transporte ativo

O transporte passivo não é suficiente...O transporte ativo se dá em 3 formas principais:

– Transportadores acoplados: ligam o transporte desfavorável de um soluto ao transporte favorável de outro soluto;

– Bombas ativadas por ATP: acoplam o transporte desfavorável à hidrólise de ATP;

– Bombas movidas à luz: unem o transporte desfavorável a uma entrada de energia luminosa.

Bombas ativadas pelo ATP

• Todas são proteínas de transmembrana com um ou + sítios de ligação para o ATP na face citosólica da membrana;

• ATPases que normalmente não hidrolisam ATP em ADP + Pi a não ser que os íons ou outras moléculas sejam transportados simultaneamente.

• As células animais usam a energia da hidrólise do ATP para bombear Na+ para fora da célula na bomba de Na+/K+

Bomba de Na+/K+

Gradientes de H+

• São utilizados para impelir o transporte de membrana em plantas, fungos e bactérias, pois

estes não possuem bombas de Na+/K+

Contam com um gradiente eletroquímico de H+ no lugar de Na+

Criado por bomba de H+ na membrana plasmática

A captura de muitos açúcares e aminoácidos para o interior das células bacterianas é conseguido por simportadores de H+

Transportadores acoplados

• Proteínas carreadoras nas quais o movimento favorável do 1o soluto fornece energia para o transporte desfavorável do 2o soluto.

São usados em transporte passivo e ativo.

• SIMPORTADOR = se os 2 vão para a mesma direção

• ANTIPORTADOR = se deslocam-se em direções opostas

ANTIPORTADOR

SIMPORTADOR

Canais iônicosCANAIS hidrofílicos = forma + simples de permitir que uma molécula

hidrossolúvel atravesse de um lado ao outro da membrana;

Proteínas de canais fazem isso!

- algumas formam grandes poros (p.e. porinas), porém são muito permissivos.

- A maioria possui poros estreitos e altamente seletivos;- Quase todas são canais iônicos (Na+, K+, Cl- e Ca+)- Em geral, não estão continuamente abertos.

estados aberto/fechado alternam por mudança conformacional.

- Taxa de transporte é mais rápida que aquela das proteínas carreadoras (até mil vezes >), mas não fazem transporte ativo....

Estrutura do canal de K

Canais iônicos• Há mais de 100 tipos de canais iônicos;• Diferem quanto 1) seletividade iônica

2) condições que influenciam na abertura O controle da abertura-fechamento pode ser por: voltagem, ligante

ou pressão mecânica

O movimento da água• A pressão osmótica causa o movimento da água através das

membranas;• As bicamadas lipídicas puras são quase impermeáveis,

mas a > parte das membranas celulares tem proteínas de canal de água

Aquaporinas aumentam a permeabilidadedas membranas celulares à água

Expressão de aquaporina por oócitos de rã (acima) e controle (abaixo) em solução hipotônica