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Profa. Ana Paula Ulian de Araújo IFSC, USP
Biomembranas
As biomembranas formam estruturas fechadas
A estrutura da bicamada é similar para as biomembranas;
Composição: lipídica e protéica;
Delimitam a célula e seus compartimentos;
Controlam o movimento de moléculas;
Esquema dos principais componentes da arquitetura celular eucariótica
Face exoplásmica
Face citosólica
Faces das membranas celulares
Efeito hidrofóbico dos lipídeos: H2O se organiza ao redor
Fosfolipídeos formam espontaneamente bicamadas lipídicas
Membranas • São estruturas dinâmicas,
fluidas: a maioria das moléculas é capaz de se mover no plano da bicamada!
• São “auto-selantes”: rearranjam-
se para eliminar ângulos livres.
Grupos de cabeças polares
Caudas hidrofóbicas
Grupos de cabeças polares
Bicamada da membrana
Micrografia eletrônica de uma secção da membrana de um eritrócito.
Propriedades da bicamada
• Barreira impermeável a compostos hidrofílicos;
• Estabilidade: mantida via interações hidrofóbicas e van de Waals
mantém sua arquitetura mesmo com variações de pH e força iônica do ambiente externo
Permitem gradientes iônicos!
Composição lipídica das células animais: muitas possibilidades
Glicolipídeos Fosfolipídeos
Fosfoglicerídeos Esfingolipídeos
Colesterol
Fosfatidilserina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilcolina
Fosfatidilinositol
Esfingomielina
Gangliosídeos
Galactocerebrosídeo Ác. siálico
Composição lipídica
Colesterol
TODOS SÃO MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS !
Fosfoglicerídeos
(fosfatidilcolina)
Cabeça polar
Esfingolipídeos
Glicolipídeos Gangliosídeo GM1
(esfingomielina)
As partes de um fosfolipídeo (fosfoglicerídeo):
Fosfatidilcolina Os maiores componentes lipídicos das membranas biológicas são fosfolipídeos
Fosfoglicerídeos
As 2 cadeias acil graxas podem diferir:
- No número de C (~14 a 24);
- No grau de insaturação (0, 1 ou 2 =);
O fosfoglicerídeo é classificado segundo a natureza de sua cabeça polar.
Cauda hidrofóbica
Fosfoglicerídeos Cabeça polar
Fosf
oglic
eríd
eos
Esfingolipídeos
Derivados da esfingosina = um álcool amino com uma longa cadeia de hidrocarbonos.
A SM, é o esfingolipídeo mais abundante (é um fosfolipídeo também)
esfingomielina
Fosfolipídeos dispersos em água espontaneamente formam esferas chamadas lipossomas.
Cavidade aquosa
Variam de 25nm até 1 um de diâmetro
Fluidez da bicamada:
Uma bicamada de fosfolipídeos pode existir em 2 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 transição de fase (mudança de fluido para gel) é dita
temperatura de transição.
depende da natureza química dos componentes da membrana.
Forma gel e fluida dos fosfolipídeos da bicamada
Efeito da insaturação nos ác. graxos
Efeito na bicamada
FLUIDEZ Cadeias acil graxas insaturadas = menos interações
…membrana + fluida Cadeias acil graxas curtas= > fluidez Longas caudas saturadas= menor fluidez
bactérias, leveduras adaptam-se: sob altas T produzem lípideos com caudas mais longas e saturadas Plantas: produzem lipídeos insaturados (fluidos) Animais: já produzem gorduras saturadas, portanto, seus lipídeos são mais “sólidos”
Fluidez permite: • rápida difusão das proteínas de membrana no plano da bicamada • interação com outras proteínas • fusão de membranas diferentes com a consequente
redistribuição dos lipídeos e proteínas
Fluidez da bicamada dependende de sua composição e da temperatura
Fluidez
Movimento dos lipídeos nas bicamadas
• A movimentação térmica permite que as moléculas lipídicas movimentem-se no plano da bicamada.
“flip-flop” é raro
Difusão lateral 107x/seg
Rotação
COLESTEROL e GLICOLIPÍDEOS
A bicamada de muitas membranas não é composta exclusivamente de fosfolipídeos, frequentemente há também:
Colesterol
Especialmente abundante nas membranas plasmáticas de células de mamíferos.
Não pode formar estrutura de bicamada, exceto quando misturado a fosfolipídeos.
O colesterol apresenta efeito de ordenamento na bicamada de PC
Colesterol = em concentrações normais, tende a tornar as membranas menos deformáveis e menos permeáveis
à água, mas não menos fluidas. ↑[colesterol] = inibe possíveis transições de fase para cristalização
Composição de lipídeos x propriedades físicas da membrana
• As propriedades características de cada membrana são dadas por uma composição particular de lipídeos;
• Podem refletir uma especialização
Efeito da composição de lipídeos na curvatura da membrana
A assimetria da bicamada • A composição lipídica das 2 monocamadas da bicamada é distinta! • Essa assimetria é funcionalmente importante, principalmente na
sinalização;
Diminuem a fluidez
Glicolipídeos
Glicolipídeos • Encontrados na superfície de todas as membranas
plasmáticas • Lipídeos com maior assimetria de distribuição nas
membranas; • Localizam-se exclusivamente na monocamada não-
citosólica, principalmente em microdomínios
Face não-citosólica
Microdomínios • A maior parte dos tipos de lipídeos de membrana está misturada ao
acaso na monocamada; • Alguns lipídeos e proteínas podem unir-se temporariamente em
pequenos microdomínios especializados (lipid rafts ou balsas lipídicas); – Comuns nas membranas animais, são ricos em esfingolipídeos
e colesterol; – Bicamada é mais espessa e pode acomodar melhor certas
proteínas.
Membranas biológicas
As quantidades e tipos de proteínas das membramas são altamente variáveis
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 e 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
Proteínas ancoradas a
lipídeos
“Barris” de fitas β podem atravessar a membrana
Modelo de uma porina (OmpX) encontrada na membrana externa de E. coli
periplasma
Barris β formados a partir de diferentes números de fitas β (1) E. coli OmpA (8 fitas β) serve como um receptor viral. (2) E. coli OMPLA (12 fitas β) é uma lipase (3) Porina de Rhodobacter capsulatus, que forma poros na memb. ext. (4) E. coli FepA (22 fitas β) é um tranportador de íons. Dentro do barril há um domínio globular (azul) que liga ferro.
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)
Domínio exoplásmico - Polipeptídeo que se extende da membrana para o lado externo da célula ou para o lúmen de organelas. - Obedece as mesmas regras que as proteínas solúveis, pode ter funções variadas e é frequentemente glicosilado. Domínio citoplásmico - Polipeptídeo que se extende da membrana para o citoplasma da célula. Também é solúvel. - Geralmente há 2 aminoácidos carregados (+) imediatamente após o domínio transmembrana.
Proteínas transmembrana
Domínio exoplásmico
Domínio citoplásmico
Glicoforina: Proteína de Membrana Unipassagem
Plotagem de hidropatia para localizar potenciais segmentos de α-hélice que atravessam a membrana
Proteínas de membrana multipassagem
Plotagem de hidropatia para Bacteriorrodopsina: 7 α-hélices transmembrana
Solubilização de proteínas integrais de membrana
Proteínas Periféricas de Membrana:
Não interagem com a bicamada, ligam-se não-covalentemente à:
- proteínas integrais de membrana
(interações eletrostáticas e/ou ligações de hidrogênio) ou
- superfície da própria bicamada
(interações eletrostáticas)
The photosynthetic reaction centre of a purple bacterium
Proteína Integral de membrana (multi-passo
com 11 hélices TM)
Proteína extracelular periférica de membrana
Proteína Intracelular periférica de membrana
Proteínas ancoradas à Lipídeos : lipídeos ligados covalentemente à proteína. A proteína em si não penetra na bicamada.
Fenilação Acilação
As proteínas de membrana são móveis • Dependendo do tipo celular, 30 a
90% das proteínas de membrana são móveis;
A taxa de difusão lateral na membrana intacta é ~10 a 30 x mais baixa do que da mesma
proteína em lipossomos;
mobilidade restrita por interações com o citoesqueleto!
Formas de restringir a mobilidade lateral de proteínas:
A) Auto-agrupamento; B e C) interações com macromoléculas; D) Interação com proteínas de superfície.
FRAP
Referências • Alberts, B. Biologia Molecular da Célula - 5ª Ed., Editora:
Artmed, 2010. • Niemelä, P. S. Membrane Proteins Diffuse as Dynamic
Complexes with Lipids. J. Am. Chem. Soc., 2010, 132 (22), pp 7574–7575 | DOI: 10.1021/ja101481b
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