Biofísica
Modelos de Membrana Celular
Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.
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BIOFÍSICA
Resumo
 Mastoparanos
 Estrutura dos EMP-AF
 Anoplin
 Interação de Peptídeos Tóxicos com a Membrana Celular
 Streptolisina
 Referências
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BIOFÍSICA
Mastoparanos
Toxinas
da
vespa
solitária
Anterhynchium
flavormarginatum
micado. Essa vesta injeta seu veneno
em lagartas e deposita seus ovos
próximos à vítima. Devido à ação tóxica
de seu veneno a lagarta fica paralisada,
mas viva. Ao eclodirem, as jovens
vespas terão um banquete fresco e vivo.
Tal comportamento, indicou que o
veneno da A. flavormarginatum micado,
poderia ser uma rica fonte de moléculas
com
atividades
antimicrobianas.
Podemos imaginar o veneno dessas
vespas como um coquetel de moléculas.
A questão é: qual ou quais moléculas
apresentam atividades biológicas?
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Foto: Cortesia do Dr. K. Konno.
BIOFÍSICA
Mastoparanos
Mastoparanos. Essas moléculas são
peptídeos isolados em vespas e
abelhas, muitos deles apresentam
atividade biológicas, tais como,
degranulação
de
mastócitos,
atividades antimicrobiana e hemolítica.
Essas moléculas atuam principalmente
na membrana celular, provavelmente
rompendo a integridade da bicamada
lipídica.
Os
mastoparanos,
identificados no veneno da A.
flavormarginatum micado (EMP-AF),
apresentam atividade hemolítica e de
degranulação de mastócitos (Sforça et
al.,
2004).
Mastoparanos
são
normalmente moléculas anfipáticas.
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Referência: Sforça, M. L., Oyama, S. Jr.,
Canduri, F., Lorenzi, C. C., Pertinhez, T. A.,
Konno, K., Souza, B. M., Palma, M. S.,
Ruggiero Neto, J., Azevedo, W. F. Jr.,
Spisni, A. (2004). Biochemistry 43:56085617.
BIOFÍSICA
Estrutura dos EMP-AF
Dinâmica molecular dos peptídeos EMP-AF. Simulações de dinâmica molecular
permitem testar o comportamento dinâmico de moléculas biológicas, sem a
necessidade de experimentos caros e, muitas vezes, de difícil realização no
laboratório. As simulações de dinâmica molecular fazem uso de simulações
computacionais, para acessar as propriedades fisico-químicas das moléculas. A
estrutura tridimensional dos peptídeos EMP-AF foram determinados a partir da técnica
de Ressonância Magnética Nuclear (RMN) (Sforça et al., 2004).
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BIOFÍSICA
Estrutura dos EMP-AF
Dinâmica molecular dos peptídeos EMP-AF. A análise do comportamento dinâmico
dos peptídeos, com o C-terminal amidado (EMP-AF-NH2) e com C-terminal
carboxilado (EMP-AF-COO-), indicam que a presença do grupo amina no C-terminal
promove a estabilização da estrutura, o que verifica-se na dinâmica molecular, com
uma estrutura 3D mais estável. O EMP-AF-COO- apresenta uma estrutura bem mais
flexível. As simulações foram realizadas com os peptídeos em solução de água com
TFE, que mimetiza as propriedades físico-químicas das membranas celulares.
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BIOFÍSICA
Estrutura dos EMP-AF
Dinâmica molecular dos peptídeos EMP-AF. Estudos sobre as atividades biológicas
desses peptídeos, indicam que o EMP-AF-NH2 possui atividade de degranulação de
mastócitos e hemolítica, bem mais alta que o seu equivalente sem o C-terminal
amidado. A comparação dessa observação experimental, com as simulações de
dinâmica molecular, indica que a estabilização da estrutura, no peptídeo EMP-AF-NH2
, é o fator fundamental para sua atividade hemolítica e de degranulação de mastócito
amplificada em relação ao EMP-AF-COO- .
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BIOFÍSICA
Anoplin
Toxinas da vespa solitária Anoplius
samariensis. Essa vesta injeta seu
veneno em aranhas e deposita seus
ovos próximos à vítima, da mesma
forma que a A. flavormarginatum
micado. A ação tóxica de seu veneno
paralisa a aranha, que será comida viva
pelos filhotes da vespa ao eclodirem.
Foto: Cortesia do Dr. K. Konno.
Referência: Konno, K., Hisada, M., Fontana, R., Lorenzi, C. C., Naoki, H., Itagaki, Y.,
Miwa, A., Kawai, N., Nakata, Y., Yasuhara, T., Ruggiero Neto, J., de Azevedo, W. F. Jr.,
Palma, M. S., Nakajima, T. (2001). Bioch. Biophys. Acta. 1550:70-80.
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BIOFÍSICA
Anoplin
Anoplin. O veneno da A. samariensis é
uma possível fonte de moléculas com
atividades biológicas. O peptídeo
Anoplin, uma decapeptídeo com o Cterminal
amidado
e
sequência,
GLLKRIKTLL, foi identificado no veneno
da A. samariensis. Testes de atividade
biológica
mostraram
ação
antimicrobiana desse peptídeo, sendo o
menor peptídeo que se tem notícia a
apresentar tal ação. A versão sem o Cterminal
não-amidado
apresenta
atividade antimicrombiana reduzida,
quando comparada com o Anoplin-NH2.
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Foto: Cortesia do Dr. K. Konno.
BIOFÍSICA
Anoplin
Dinâmica molecular do anoplin.
Simulações de dinâmica molecular dos
Anoplin-NH2 e Anoplin-OH indicam que
o peptídeo amidado apresenta uma
estrutura mais estável, durante a
dinâmica molecular em solvente
idêntico ao usado para as simulações
dos EMP-AFs (70 % água + 30 TFE).
Análise da atividade antibiótica dos
Anoplins, indica que o Anoplin-NH2
apresenta
mais
alta
atividade
antimicrobiana, mostrando que uma
estrutura tridimensional mais estável
amplifica sua atividade antimicrobiana.
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Anoplin-NH2
Anoplin-OH
BIOFÍSICA
Anoplin
Dinâmica molecular do anoplin. A
estabilidade da estrutura do AnoplinNH2 proporciona uma estrutura com
uma face positivamente carregada de
forma mais intensa que a observada
no Anoplin-OH. Este caráter amfipático
do Anoplin-NH2, parece ser a
característica física determinante, para
sua
atividade
antimicrobiana
amplificada.
Leu 10
Lys 4
Lys 4
Thr 8
N-terminus
Lys 7
Leu 9
Thr 8
Arg 5
Arg 5
Lys 7
Leu 9
N-terminus
Leu 10
(a)
Anoplin-NH2
(b)
Anoplin-OH
Referência: Konno, K., Hisada, M., Fontana, R., Lorenzi, C. C., Naoki, H., Itagaki, Y.,
Miwa, A., Kawai, N., Nakata, Y., Yasuhara, T., Ruggiero Neto, J., de Azevedo, W. F. Jr.,
Palma, M. S., Nakajima, T. (2001). Bioch. Biophys. Acta. 1550:70-80.
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BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
A membrana celular animal apresenta uma bicamada lipídica de aproximadamente 60
Å de extensão, o que possibilita que proteínas como o centro de reação fotossintético
atravessem a membrana, contudo peptídeos pequenos, como os mastoparanos e o
anoplin, possuem comprimento de 21 e 15 Å, respectivamente, não permitindo que
esses peptídeos atravessem a membrana celular. Resta a questão sobre a forma de
ação desses peptídeos, visto que evidências experimentais indicam que os mesmos
atuem na membrana celular, desestabilizando-a. Uma possível forma de ação desses
peptídeos, é por meio do desmonte da camada externa da membrana, o que levaria à
sua desestruturação e consequente quebra da membrana celular. A forma exata da
ação dos peptídeos tóxicos com a membrana celular é ainda matéria de debate. Um
possível modelo de interação do peptídeo com a bicamada está mostrado nos slides
seguintes.
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BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Ancoragem do peptídeo na
membrana celular.
~60 Å
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BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Início da desestabilização
da membrana celular.
~60 Å
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BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Início da desmontagem da
primeira camada lipídica.
~60 Å
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BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Início da desmontagem da
segunda camada lipídica.
~60 Å
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BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Desmontagem
bicamada lipídica.
da
~60 Å
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Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Início da passagem de
citoplasma para o meio
exterior e entrada de
substâncias do meio extracelular.
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~60 Å
BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Abertura de um grande
canal transmembrana.
~60 Å
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Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
Fluxo de substâncias para o
interior e exterior da célula
leva à apoptose.
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~60 Å
BIOFÍSICA
Interação de Peptídeos Tóxicos
com a Membrana Celular
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BIOFÍSICA
Streptolisina
A toxina streptolisina é uma proteína
produzida pelo Streptococcus pyrogenes de
massa molecular 65 kDa. Essa toxina ligase à membrana celular, que apresenta
colesterol na sua superfície. Depois de
ligar-se à membrana a streptolisina
polimeriza-se,
formando
poros
na
membrana celular (figura ao lado). Esses
poros transmembranas podem ter até 350
Å de diâmetro. Os diagramas esquemáticos
nos próximos slides ilustram os principais
passos na formação dos poros.
Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J.,
& Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun.
47:52-60.
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a)
b)
a) Membrana de eritrócito lisadas por streptolisina. b)
Oligômeros de streptolisina, mostrando diversas
estruturas de bastões.
BIOFÍSICA
Streptolisina
Processo de formação de poros
pela streptolisina. 1) Associação
reversível
das
streptolisinas
monoméricas
com
membranas
celulares contendo colesterol.
1
Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun.
47:52-60.
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BIOFÍSICA
Streptolisina
Processo de formação de poros
pela
streptolisina.
2)
Dois
monômeros reagem formando um
dímero inserido na membrana.
1
2
Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun.
47:52-60.
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BIOFÍSICA
Streptolisina
Processo de formação de poros
pela streptolisina. 3) Oligomerização
segue pela adição sucessiva de
monômeros.
1
3
2
Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun.
47:52-60.
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BIOFÍSICA
Streptolisina
Processo de formação de poros
pela streptolisina. 4) Há formação
de um poro transmembrana.
1
4
3
2
Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun.
47:52-60.
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BIOFÍSICA
Streptolisina
Representação esquemática do dano causado na membrana pela ação do oligômero
de streptolisina.
Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun.
47:52-60.
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BIOFÍSICA
Trabalho
Descreva o modelo de interação de peptídeo tóxico com a membrana celular.
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BIOFÍSICA
Referências
Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., Heller, H. G. Vida. A Ciência da Biologia. 6a
.
ed. Artmed editora. 2002
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BIOFÍSICA