Biofísica
Modelos de Membrana Celular
Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.
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BIOFÍSICA
Resumo
 Modelos de membrana celular: modelos de Robertson, Stein & Danielli, Lucy &
Glauert, Benson e Lenard & Singer
Modelo de mosaico fluido
 Simulação computacional da membrana celular
 Composição lipídica da membrana celular
 Modelo atual de membrana celular
 Proteínas de membrana celular
 Referências
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BIOFÍSICA
Membrana Celular
A principal função da membrana celular
é manter, de forma seletiva, moléculas
tão diversas como proteínas e
pequenos solutos, no interior da célula.
Assim, a membrana funciona de forma
eficiente para regular seletivamente sua
permeabilidade.
A composição da
membrana celular tem sido estudada de
forma intensa, a partir do uso de
diversas técnicas físicas e químicas,
discutiremos a seguir a evolução dos
principais modelos da membrana
celular.
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BIOFÍSICA
Membrana Celular
No livro clássico de Oparin, A Origem
da Vida, esse propôs que para qualquer
forma de vida, das mais simples que
sejam, faz-se necessária uma barreira
física, que separe a parte viva do meio
que a cerca. Esse trabalho destaca a
necessidade de uma membrana para
isolar, até mesmo as formas de vida
mais simples, do meio exterior.
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BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Modelo de Robertson (1957). O estudo de eritrócitos realizados por Gorter & Grendel
em 1925 indicou que o conteúdo lipídico das membranas ocupava uma área duas
vezes maior que a superfície da célula. Tal observação levou à hipótese da bicamada
lipídica, com a parte polar voltada para os meios intra e extra celular e a parte
hidrofóbica voltada para o interior da membrana, escondida do solvente.
Posteriormente Schmitt e colaboradores, a partir de estudos de polarização da luz,
propuseram que eritrócitos apresentavam lipídios perpendiculares ao plano da
membrana, como espera-se de uma bicamada (Schmitt et al., 1937, 1938). Outros
cientistas propuseram a presença de proteínas nas membranas (Danielli & Davson,
1935), com a participação protéica estendendo-se até 60 % da membrana. Baseado
nessas informações Robertson (1957, 1981) propôs que as proteínas estivessem
distribuídas sobre a superfície da membrana.
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BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
O modelo de Robertson era coerente com a informação sobre a presença de proteínas
nas membranas, bem como com a presença da bicamada lipídica, contudo falhava ao
colocar proteínas globulares na superfície da membrana. A presença de uma camada
de proteína na membrana formava uma blindagem na superfície da membrana, o que
impossibilita a comunicação entre os meios intra e extra-celular.
Referências:
Robertson, J. D. (1957). J. Biophys. Biochem. Cytol., 3:1043-1048.
Robertson, J. D. (1981). J. Cell Biol. 91(3 Pt 2):189s-204s. Review.
Bicamada
lipídica
Proteína
globular
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BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Modelo de Stein & Danielli. Esse modelo
propõe a presença de um canal
transmembrana composto por proteínas, o
que permite comunicação entre os meios
intra e extra celular, aumentando a
permeabilidade da membrana celular.
Nesse modelo toda a membrana é revestida
por proteínas Stein & Danielli (1956). O
principal problema desse modelo é o
envolvimento de toda a membrana celular
por proteínas, não há contato para porção
polar da bicamada lípídica com o solvente
do meio extracelular, ou com o citoplasma,
a bicamada lipídica fica blindada pela
proteína.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica.
2000 (pg. 5).
Editora Savier,
Referência: Stein, W. D. & Danielli, J. F. (1956). Discuss. Faraday Soc. 21:238-251.
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BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Modelo de Lucy & Glauert. Nesse
modelo o lipídeos formam micelas
globulares, que estão revestidas por
proteínas (Lucy & Glauert, 1964).
Esse modelo apresenta o mesmo
problema do modelo de Robertson,
não há comunicação entre os meios
extra e intra celular.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 5).
Referências: Lucy, J. A. & Glauert, A. M. (1964). J. Mol. Biol. 12: 727-748.
De Mello, W. C. (1972). Electrical phenomena in the heart, Academic Press, New
York and London.
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BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Modelo de Benson. Nesse modelo a
membrana é composta por uma matriz
protéica com lipídios dispersos. O
principal problema dessa proposta
está na inexistência de canais
transmembranas.
Referência: Benson, A. A. (1966). J.
Amer. Oil Chem. Soc., 43:265-270.
Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica.
2000 (pg. 5).
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Editora Savier,
BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Modelo de Lenard & Singer. Esse
modelo, mais realístico, prevê a
presença
de
proteínas
numa
bicamada lipídica (Lenard & Singer,
1966), há previsão de proteínas
transmembranas que atravessam a
bicamada lipídica.
Referência: Lenard, J. & Singer, S. J.
(1966). Proc. Natl. Acad. Sc. 56:18281835.
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Modelo de Lenard&Singer, , indicando duas proteína inseridas
na
bicamada
lipídica
(elipsóides
cinzas).
A proteína da esquerda é uma proteína extrínseca e a da direira
uma proteína intrínseca. Os fosfolipídios são indicados
com a cabeça polar em preto e a cauda hidrofófica pelas linhas
que saem da esfera preta.
BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Modelo
de
mosaico
fluido.
Experimentos
mais
detalhados
mostraram deficiências nos diversos
modelos de membrana celular. Singer e
Nicolson (1972) propuseram um modelo
de membrana constituído de uma
bicamada lipídica, onde encontram-se
inseridas proteínas. Há dois tipos de
proteínas inseridas na membrana, uma
que atravessa toda a membrana,
chamada
proteína
intrínseca,
ou
transmembrana. O segundo tipo de
proteína localiza-se sobre a membrana,
sendo encontrada tanto no exterior como
voltada para o citoplasma. Esse segundo
tipo de proteína é chamado extrínseca.
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Proteínas extrínsecas
Proteína intrínseca, ou
transmembrana
Referência: Singer, S. J. & Nicolson, G. L.
(1972) Science, 175:720-731.
BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
Esse modelo prevê a passagen seletiva
de íons pelas proteínas intrínsecas, que
são chamadas de canais ou bombas
como veremos em detalhe no estudo do
potencial de membrana.
Outra
característica desse modelo é liberdade
de movimentação das proteína na
bicamada. De acordo com características
básicas do modelo, mosaicismo e
difusão, previu-se a liberdade lateral e
rotatória, assim como a distribuição
aleatória de componentes moleculares
na membrana.
Proteínas extrínsecas
Proteína intrínseca, ou
transmembrana
Referência: Singer, S. J. & Nicolson, G. L.
(1972) Science, 175:720-731.
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BIOFÍSICA
Modelos de Membrana Celular
O modelo de mosaico fluido é usado até hoje, apesar de experimentos posteriores,
terem deixado claro que a liberdade de movimentação das proteínas transmembranas
e extrínsecas, não representa a realidade observada (Vereb et al., 2004). Uma das
características da membrana celular, não previstas no modelo de mosaico fluido, é
que as proteínas apresentam uma distribuição não aleatória, há uma concentração de
proteínas em regiões definidas na membrana, conhecidas como balsas lipídicas.
Essas balsas lipídicas são pequenas da membrana,
onde alguns lipídios
(normalmente esfingolipídeos e colesterol) e proteínas estão concentrados.
Balsas lipídicas, mostrando setores da membrana que fixam essas nas regiões indicas. Fonte: Vereb et al. 2004.
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BIOFÍSICA
Modelo Atual da Membrana Celular
Um modelo para membrana celular mais realístico prevê além da clássica bicamada
lipídica e as proteínas transmembranas e extrínsecas os seguintes aspectos:
1) Distribuição não aleatória das proteína na membrana. O modelo original de mosaico
fluido prevê uma distribuição aleatórias das proteína na bicamada lipídica.
2)Contatos moleculares quase permanentes.
3) Domínios de membrana: difusão limitada, reorganização dinâmica.
4) Plataformas lipídicas.
5) Proteínas são importantes elementos estruturais.
6) Estruturação dinâmica.
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BIOFÍSICA
Modelo Atual da Membrana Celular
Proteína da
classe 
Glicolipídio
Fosfolipídeo
Cadeia lateral de
oligossacarídeo
Proteína
globular
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Segmento
hidrofóbico da
proteína
Colesterol
BIOFÍSICA
Composição Lipídica da Membrana
Celular
Há três tipos de lipídios na membrana celular animal, segundo estudos de Rouser e
colaboradores de 1968.
1) Esteróides
colesterol
2) Fosfolipídios
Esfingomielina
Fosfatidilcolina
Fosfatidiletanoamina
fosfatidilserina
Lecitina
3) Glicolipídios
Referência: Rouser, G., Nelson, G. J., & Fleischer, S. (1968). In: Biological Membranes
Ed. by D. Chapman, Academic Press, New York.
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BIOFÍSICA
Composição Lipídica da Membrana
Celular
Biomembranas são baseadas principalmente
em lipídios, com predominância de
fosfolipídeos. A estrutura química geral de
uma molécula de fosfolipídio é mostrada na
ao lado (figura a). Essa molécula é
basicamente um glicerol (figura b), sobre a
qual foram atachadas as cadeias de ácidos
graxos (R1 e R2), via ligações do tipo éster,
ao fosfato pode-se ligar qualquer molécula,
designada na figura a por X.
a)
O
O
CH2
CH
O
O
C
C
R1
R2
CH2
O
P
O
X
OO
Fosfolipídio
b)
H
HO
CH2
C
CH2
OH
OH
Glicerol
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BIOFÍSICA
Composição Lipídica da Membrana
Celular
Um dos ácidos graxos típicos, encontrados nos fosfolipídios, é chamado ácido
palmítico. A molécula de ácido palmítico apresenta 16 carbonos e 31 hidrogênios.
Esse ácido graxo é dito saturado, pois apresenta o maior número de possível de
hidrogênios. A presença de ligações duplas na cadeia de ácido graxo indica que o
mesmo é não-saturado. As duas cadeias R1 e R2 não precisam ser homogêneas, ou
seja, podem apresentar cadeias de tamanhos distintos.
Nos fosfolipídios uma parte de molécula é polar, a cabeça hidrofílica, e a parte nãopolar, composta pelas duas cadeias de ácidos graxos. O diagrama esquemático
abaixo ilustra uma molécula de fosfolipídio. Moléculas que apresentam parte polar e
parte hidrofóbica são chamadas anfipáticas.
Cabeça polar
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Caudas hidrofóbicas
BIOFÍSICA
Simulação Computacional da
Membrana Celular
Um
grande
número
de
modelos
computacionais de membranas celulares
foram construídos e submetidos à simulação
de dinâmica molecular. Esses modelos
usam diferentes componentes para a
formação da bicamada, no exemplo ao lado
foram usadas 200 moléculas de 1-palmitoil2-oleoil-sn-glicerol-3-fosfatidilcolina,
formando uma caixa retangular com 5483
moléculas de água interagindo com a parte
polar da bicamada. As dimensões do
sistema da membrana mais moléculas de
água são de 100 x 75 x 35 Å, sendo a última
a espessura da bicamada.
Referência: Heller, H., Schaefer, M. & Schulten, K. (1993). J. Phys. Chem. 97:83438360.
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BIOFÍSICA
Centro de Reação Fotossintética
de Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. O
complexo
protéico,
centro
de
reação
fotossintético
da
bactéria
púrpura
Rhodopseudomonas viridis, é o local da etapa
inicial da captura de energia luminosa na
fotossíntese. Esse complexo protéico é
composto de quatro cadeias polipeptídicas,
indicadas na figura ao lado, nas cores azul,
vermelha, cinza e dourado. Há também
quatorze cofatores de baixo peso molecular,
indicados em amarelo. Entres os cofatores
temos cromóforos, que absorvem a energia de
excitação, que é convertida em potencial
eletroquímico, através da membrana.
Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989)
EMBO J. 8:2149-2170.
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BIOFÍSICA
Centro de Reação Fotossintética
de Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. Na
presente visão a molécula está deslocada
aproximadamente 90 graus em relação à
anterior, considerando-se o eixo vertical
paralelo à tela. Ambas vistas mostram a
estrutura com todos os átomos das proteínas,
como esferas rígidas. São excluídas desta
representação os átomos de hidrogênio. Esse
complexo protéico foi a primeira proteína
intrínseca de membrana a ter sua estrutura
tridimensional elucidada, usando-se técnicas de
cristalografia de raios X em 1989 (Deisenhofer
e Michel, 1989), fato esse que foi laureado com
o prêmio Nobel de Química de 1989.
Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989)
EMBO J. 8:2149-2170.
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BIOFÍSICA
Centro de Reação Fotossintética
de Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. Esse
complexo protéico apresenta dimensões
aproximadas de 72 Å x 72 Å x 132 Å, sendo 1 Å
= 10-10 m.
Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989)
EMBO J. 8:2149-2170.
132 Å
72 Å
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Centro de Reação Fotossintética
de Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. Nessa
representação os resíduos de aminoácidos
hidrofóbicos estão em cinza, os polares em
verde, os ácidos em vermelho e os básicos em
azul. Átomos pertencentes aos cofatores estão
em
ciano.
Vemos
claramente
uma
heterogeneidade na distribuição de cargas na
superfície das proteínas. No centro temos uma
região hidrofóbica, e nas partes superior e
inferior uma concentração de resíduos de
aminoácido carregados e polares.
132 Å
Referência: Deisenhofer, J. & Michel, H. (1989)
EMBO J. 8:2149-2170.
72 Å
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Centro de Reação Fotossintética
de Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. A cadeia
azul é a proteína chamada citocromo, as
cadeias vermelha e cinza são chamadas
subunidades L (Light) e M (Medium),
respectivamente e a cadeia dourada é
chamada cadeia H (Heavy).
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BIOFÍSICA
Centro de Reação Fotossintética
de Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. A
representação à esquerda indica os elementos
de estrutura secundária, notadamente: hélices,
fitas beta e regiões de coil. As cadeias L e M
apresentam
preponderantemente
hélices,
enquanto o citocromo e a cadeia H apresentam
outros elementos de estrutura secundária.
Observação: As coordenadas atômicas usadas
para representar a estrutura do centro de
reação fotossintético estão depositadas no
banco de dados de estruturas PDB (Protein
Data Bank) com código de acesso: 1PRC. O
endereço do PDB é www.rcsb.org/pdb .
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BIOFÍSICA
Trabalho
1) Faça um diagrama esquemático da membrana celular e discuta suas principais
características.
2) A partir da análise da estrutura do centro de reação fotossintético proponha um
modelo para sua interação com a membrana celular.
Parte polar
Parte hidrofóbica
Parte polar
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BIOFÍSICA
Referências
Danielli, J. F. & Davson, H. (1935). J. Cell. Comp. Physiol., 5:495-508.
Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000.
Gorter, E. & Grendel, F. (1925). J. Exp. Med. 41:439-443.
Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., Heller, H. G. Vida. A Ciência da
Biologia. 6a ed. Artmed editora. 2002.
Schmitt, F. O., R. S. Bear, and E. Ponder. (1937) . J. Cell. Comp. Physiol 9:
89-92.
Schmitt, F. O., R. S. Bear, and E. Ponder. (1938) . J. Cell. Comp . Physiol. 11
:309-313.
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