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Aula basica de biofisica da membrana, estrutura e funcionamento
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BIOFSICA DA MEMBRANA
CELULAR Prof. Jlio Csar Tolentino
Todas as criaturas vivas so constitudas de clulas pequenas unidades envolvidas por membranas e preenchidas por uma soluo
aquosa de agentes qumicos, dotadas com uma extraordinria capacidade de reproduo.
(Bruce Alberts, 1999)
A membrana celular define os
limites da clula e com isso,
mantm as diferenas de
composio entre os meios
intra e extracelular.
Funo: promover, de forma
seletiva, trocas entre os meios
intra e extra celular, e manter
molculas como protenas e
pequenos solutos, no interior
da clula.
(Fonte: http://1.bp.blogspot.com).
Fonte: Garcia, E. A. C. Vasconcelos, C. M. L . 2009, pg. 8.
A membrana serve como uma barreira de
permeabilidade;
Permite que a clula mantenha a composio
citoplasmtica diferente da composio do
fluido extracelular.
A composio da membrana tem sido estudada
a partir das propriedades fsicas, discutiremos
a evoluo dos principais modelos da
membrana celular.
Gorter & Grendel (1925) propuseram o primeiro
modelo estrutural para a membrana biolgica.
Mostrou que o contedo lipdico das membranas
ocupava uma rea duas vezes maior que a superfcie da
clula.
Modelo de membrana celular proposto por Gorter & Grendel (1925).
Fonte:GARCIA, E.A.C., 2002.p.5.
Danielli & Davson (1935) propuseram a participao de
protenas na membrana.
A membrana seria composta por 40 a 50% de lipdios e 50
a 60% de protenas.
Modelo de membrana celular proposto por Danielli & Davson (1935)
Fonte:GARCIA, E.A.C., 2002.p.5
Stein & Danielli (1956) - presena
de poros hidroflicos formados
por protenas atravessando toda
a extenso da bicamada lipdica.
Esse poro foi idealizado para
justificar a comunicao da
clula com o meio externo.
Neste modelo no h contato
para poro polar da bicamada
lpdica com o meio extracelular,
ou com o citoplasma, a bicamada
lipdica fica blindada pela
protena.
Modelo de membrana celular proposto por Stein & Danielli (1956)
Lucy & Glauert (1964) propuseram que a membrana
celular seria formada por micelas lipdicas (arranjo
esfrico de lipdios), recoberta por protenas.
No h comunicao entre os meios extra e intra
celular.
Modelo de membrana celular proposto por Lucy & Glauert (1964)
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 5).
Benson (1966) membrana formada por uma matriz
protica com lipdios mergulhados nessa matriz.
No h canais transmembranas.
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 5).
O atual Modelo o do mosaico fluido proposto por Singer & Nicolson, em 1972.
Modelo constitudo de
uma bicamada lipdica; Protenas inseridas:
intrnseca - permite comunicao do citoplasma com o meio extracelular;
extrnseca - de superfcie. Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 6).
O modelo prev:
Passagem seletiva de ons pelas protenas intrnsecas (atravessam toda a espessura da membrana), que so chamadas de canais.
Liberdade de movimento das protenas na bicamada
lipdica. Distribuio aleatria de componentes moleculares
na membrana.
O modelo prev :
Distribuio no aleatria das protena na
membrana.
Contatos moleculares quase permanentes.
Domnios de membrana: difuso limitada,
reorganizao dinmica.
Plataformas lipdicas.
Protenas so importantes elementos
estruturais.
Estruturao dinmica.
PERCENTUAL PROTENAS E LIPDEOS NA MEMBRANA
Os lipdios formam o grupo bioqumico em maior quantidade na membrana.
A quantidade varia de acordo com o tipo celular entre 50-80% do total dos componentes.
Porm a membrana mitocondrial interna possui apenas 30%.
O segundo grupo bioqumico em quantidade encontrado nas membranas o grupo das protenas, varia de 20 a 80% na composio total.
So elas que especificam a funo das membranas e consequentemente das clulas em questo, so os componentes ativos da membrana (receptores, enzimas transportadoras, entre outros).
A quantidade dos componentes da membrana variam de organismo para organismo, bem como entre as diferentes organelas presentes na clula.
Na bainha de mielina humana a proporo de lipdios e protenas difere da do fgado de rato.
No fgado de rato a porcentagem por peso de 45% de protenas, 27% de fosfolipdios 19% de esterol.
Na bainha de mielina humana esses valores sero 30% para protenas, 30% para os fosfoslpidios e 25% para os esterois.
As molculas lipdicas so
anfipticas, possuem :
hidroflica ou polar (solvel
em meio aquoso)
hidrofbica ou apolar
(insolvel em gua, porm
solvel em lipdios e
solventes orgnicos),
composta pelas duas cadeias
de cidos graxos.
A maior parte dos sabes e
detergentes so feitos de
compostos que contm esse
tipo de molcula.
Molcula de fosfolipdio. Fosfatidilcolina,representada esquematicamente (esquerda) e modelo espacial (esquerda). (Fonte: http://html.rincondelvago.com).
Segundo estudos de Rouser 1968,
existem trs tipos de lipdios na
membrana :
1) Esterides
colesterol
2) Fosfolipdios
3) Glicolipdios
Fonte: Garcia, E. A. C. 2000 (pg. 6).
Representao da molcula de colesterol interposta entre os fosfolipdios de membrana. (Fonte:http://www.ar.geocities.com).
Os fosfolipdeos possuem uma cabea polar e duas caudas apolares;
Os glicolipdeos exercem o papel de proteo da membrana plasmtica em condies adversas, como em pH baixo;
O colesterol o componente responsvel pelo aumento da permeabilidade das duplas camadas lipdicas, tornando-a menos sujeita a deformaes e, assim, diminuindo a sua permeabilidade (ALBERTS, 2010, p. 618).
O colesterol um componente de extrema importncia das membranas, principalmente
da membrana plasmtica, pois ele vai influenciar na sua fluidez
Acidos Graxos Os cidos graxos constituem-se em valiosas fontes de
alimento, uma vez que ao serem quebrados podem
produzir mais que o dobro de energia utilizvel, quando
comparado peso por peso com a glicose.
As membranas que envolvem todas as clulas, separando suas organelas internas do meio extracelular, so
compostas de fosfolipdios.
As camadas lipdicas podem combinar-se cauda a cauda na gua, formando uma bicamada lipdica, que por sua
vez constitui-se em uma importante montagem, que
estruturalmente constitui a base estrutural de todas as
membranas celulares.
A temperatura influncia na
composio da membrana
A fluidez da membrana controlada por diversos fatores fsicos e qumicos. Essa fluidez
entre outros fatores depende tambm da
temperatura. Em temperatura elevada a
membrana se torna mais fluida, quando a
temperatura baixa a membrana torna-se
menos fluida.
Controlada por fatores fsicos e qumicos:
Temperatura : quanto mais alta ou baixa, mais ou menos
fluida ser a membrana, respectivamente.
O nmero de duplas ligaes nas caudas hidrofbicas
dos lipdios : quanto maior o nmero de insaturaes,
mais fluida a membrana.
Alberts et al., 2004
Concentrao de colesterol : quanto mais colesterol,
menos fluida.
O colesterol, por ser menor e mais rgido, interage com
os lipdios adjacentes, diminuindo a capacidade de
movimentao.
Tamanho da cauda do lipdio: quanto mais curta a
cauda do fosfolipdio mais intensa ser a flexo da
cauda e, portanto, maior a fluidez da membrana.
Alberts et al., 2004
Funes dos Lipdios
Glicolipdios Atuam no crescimento e
desenvolvimento celular
Fosfolipdios - Constituinte da bainha de mielina, da
bile e surfactantes. Alm de reservatrios de
mensageiros PIP e papel antignico
Colesterol Funo estrutural, alm de fluidez da
membrana
Os lipdeos so biomolculas insolveis em gua, muito solveis em solventes orgnicos, tal como o clorofrmio.
Notoriamente, dentre as propriedades mais significativas dos lipdeos, esto suas propriedades hidrfobas.
A estrutura de bicamada pode ser atribuda s propriedades especiais das molculas lipdicas, que fazem com que elas se agrupem espontaneamente em camadas duplas, mesmo sob condies artificiais simples.
A formao das membranas uma conseqncia da natureza anfiptica
A BICAMADA LIPDICA
As interaes hidrfobas so as principais foras
diretoras da formao de bicamadas lipdicas.
Alm disso, a fora atrativa de van der Waals entre as
caudas hidrocarbonadas favorecem o empacotamento
das caudas.
Finalmente, h as atraes eletrostticas e as pontes de
hidrognio entre as cabeas polares e molculas de
gua.
as bicamadas lipdicas so estabilizadas por todo o
conjunto das foras que participam das interaes
moleculares dos sistemas biolgicos.
Estas interaes hidrfobas tm trs
conseqncias biolgicas significativas:
(1) as bicamadas lipdicas tm uma tendncia
inerente a serem extensas;
(2) as bicamadas lipdicas tendem a fechar-se
sobre si mesmas para que no haja bordas
com cadeias hidrocarbonadas expostas, o que
resulta na formao de compartimentos
(3) as bicamadas lipdicas so auto-selantes
porque um orifcio em uma bicamada
energeticamente desfavorvel.
Protenas
As protenas de membrana podem estar associadas a bicamada lipdica de duas formas:
- Protenas perifricas: superfcie da membrana: se ligam por interaes polares ou eletrostticas as cabeas carregadas da bicamada lipdica (podem ser removidas, quando a fora inica do meio aumenta)
- Protenas Integrais: dentro da bicamada: (mais difcil de serem removidas, geralmente com detergente ou sonicao que acabam desnaturando a protena)
As protenas integrais podem cobrir totalmente a membrana, ficar inteiramente dentro ou simplesmente se projetar na membrana.
Glicoprotenas
Funcao: protege a celula contra agressoes fisicas e quimicas, retem nutrientes e enzimas em volta da celula e participa do reconhecimento intracelular, uma vez que diferentes celulas possuem diferentes glicocalix e diferentes glicidios
A BICAMADA LIPDICA
A membrana plasmtica no uma estrutura esttica, os
lipdios movem-se proporcionando uma fluidez
membrana.
1) Flip-Flop - o movimento de passagem de um lipdio
de uma monocamada para outra. Ocorre raramente.
Deve-se a baixa afinidade da cabea polar com as
caudas de cido graxo, dificultando a passagem da
cabea polar (hidroflica) dentro da regio apolar
(hidrofbica) da bicamada lipdica.
Fonte: Alberts et al., 2004.
A BICAMADA LIPDICA
.
Fonte: Alberts et al., 2004.
Tipos de movimentos possveis realizados pelos fosfolipdios em uma bicamada lipdica.