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Profa. Ana Paula Ulian de Araújo IFSC, USP Biomembranas

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Profa. Ana Paula Ulian de Araújo IFSC, USP

Biomembranas

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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;

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Esquema dos principais componentes da arquitetura celular eucariótica

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Face exoplásmica

Face citosólica

Faces das membranas celulares

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Efeito hidrofóbico dos lipídeos: H2O se organiza ao redor

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Fosfolipídeos formam espontaneamente bicamadas lipídicas

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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.

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Grupos de cabeças polares

Caudas hidrofóbicas

Grupos de cabeças polares

Bicamada da membrana

Micrografia eletrônica de uma secção da membrana de um eritrócito.

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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!

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Composição lipídica das células animais: muitas possibilidades

Glicolipídeos Fosfolipídeos

Fosfoglicerídeos Esfingolipídeos

Colesterol

Fosfatidilserina Fosfatidiletanolamina Fosfatidilcolina

Fosfatidilinositol

Esfingomielina

Gangliosídeos

Galactocerebrosídeo Ác. siálico

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Composição lipídica

Colesterol

TODOS SÃO MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS !

Fosfoglicerídeos

(fosfatidilcolina)

Cabeça polar

Esfingolipídeos

Glicolipídeos Gangliosídeo GM1

(esfingomielina)

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As partes de um fosfolipídeo (fosfoglicerídeo):

Fosfatidilcolina Os maiores componentes lipídicos das membranas biológicas são fosfolipídeos

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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

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Fosf

oglic

eríd

eos

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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

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Fosfolipídeos dispersos em água espontaneamente formam esferas chamadas lipossomas.

Cavidade aquosa

Variam de 25nm até 1 um de diâmetro

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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.

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Forma gel e fluida dos fosfolipídeos da bicamada

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Efeito da insaturação nos ác. graxos

Efeito na bicamada

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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”

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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

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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

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COLESTEROL e GLICOLIPÍDEOS

A bicamada de muitas membranas não é composta exclusivamente de fosfolipídeos, frequentemente há também:

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Colesterol

Especialmente abundante nas membranas plasmáticas de células de mamíferos.

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

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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

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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

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Efeito da composição de lipídeos na curvatura da membrana

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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

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Glicolipídeos

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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

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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.

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Membranas biológicas

As quantidades e tipos de proteínas das membramas são altamente variáveis

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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

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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

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“Barris” de fitas β podem atravessar a membrana

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

periplasma

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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.

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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)

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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

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Domínio exoplásmico

Domínio citoplásmico

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Glicoforina: Proteína de Membrana Unipassagem

Plotagem de hidropatia para localizar potenciais segmentos de α-hélice que atravessam a membrana

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Proteínas de membrana multipassagem

Plotagem de hidropatia para Bacteriorrodopsina: 7 α-hélices transmembrana

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Solubilização de proteínas integrais de membrana

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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)

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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

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Proteínas ancoradas à Lipídeos : lipídeos ligados covalentemente à proteína. A proteína em si não penetra na bicamada.

Fenilação Acilação

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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.

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FRAP

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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