UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
DEPARTAMENTO DE BIOQUÍMICA
LABORATÓRIO DE IMUNOPATOLOGIA KEIZO-ASAMI
Nereide Stela Santos Magalhães
Recife, 2004
UNIVERSIDADE FEDERAL DE PERNAMBUCO
CURSO DE EXTENSÃO EM BIOQUÍMICA
Lipídeos e Membranas
Profa Dra Nereide Stela Santos Magalhães
2004
Lipídeos e Membranas
• Classificação de lipídeos
• Propriedades de agregados lipídicos
• Membranas biológicas
• Proteínas ligadas a lipídeos
Membranas Biológicas
• Composição
• Lipídeos Membranares
• Proteínas Membranares
• Modelo de Mosaico Fluido da estrutura
membranar
• A Membrana de Eritrócitos
Membranas: definição e funções
• Membranas são estruturas complexas compostas
de lipídeos, proteínas e carboidratos. São
estruturas assimétricas constituídas de duas
camadas (bicamada) com uma superfície interna e
uma superfície externa que diferem entre si.
• Membranas são estruturas altamente viscosas,
quase plásticas.
Membranas: definição e funções
• Duas camadas de fosfolipídios unidas de forma não
covalente, termodinamicamente estáveis e
metabolicamente ativas.
• Moléculas de proteínas específicas estão ancoradas nas
membranas com funções específicas (organelas, células
ou organismo).
• A membrana plasmática forma um compartimento
fechado em torno do protoplasma celular para separar
uma célula da outra, permitindo assim a individualidade
celular.
Membranas Biológicas
• Participam ativamente na comunicação intra e extra
celular
• Formam compartimentos especializados no interior da
célula (organelas)
• Comportam enzimas
• Funcionam com elementos integrais no sistema
excitação/resposta
• Provêem sítios para a produção de energia (e.g.
fotossíntese ou fosforilação)
Teorias da Origem da Vida
• “Membranas se originaram primeiro”.
• As forças hidrodinâmicas e
aerodinâmicas acopladas por solvatação
e energia livre entrópica geraram clones
auto-replicativos, ricos em Potássio,
como sistemas fechados membranares.
ESTRUTURA E PROPRIEDADES DE
MEMBRANAS
• Há bilhões de anos: membranas rudimentares
• Vacúolos (sacos) contendo gotículas de
moléculas primitivas auto-replicativas
dissolvidas.
• Estas membrana permitiram a criação de um
meio interno – pré-requisito para a origem da
vida.
ESTRUTURA E PROPRIEDADES DE
MEMBRANAS
Escala Cronológica da Evolução da Vida
Battail, 2002
Teorias da Origem da Vida
• Experimentos realizados por Banghan
(1993), evidenciaram a hipótese de que as
membranas lipídicas precederam o DNA
ou a síntese protéica.
• Lipossomas clonados devem ter servido
como superfície catalítica para reações que
ocorreram próximas à superfície da
membrana, na interface de compartimentos
aquosos e lipídicos de cada unidade autoreplicativa (Deamer, 1997).
Manutenção da Vida
• A vida foi originada em meio aquoso
– Reações enzimáticas
– Processos celulares e sub-celulares
As membranas, portanto, internalizam e
compartimentalizam a água do organismo.
Manutenção da Vida
– Fluido intracelular (2/3 água total)
•
•
•
•
Produção de energia
Armazenamento de energia
Utilização da energia
Manutenção (reparo celular, replicação, etc.)
– Fluido extracelular (1/3 água total)
• Fornece nutrientes para a célula
glicose, aminoácidos, ácidos graxos, O2,
etc.
• Remoção de
CO2; metabólicos; material tóxico; etc.
íons
Relevância Biomédica
• A integridade das membranas garantem os processos
celulares normais
• Alterações na estrutura das membranas afetam
– Balanço hidrolítico
– Fluxo de íons
Alterações nos processos celulares que originam doenças.
Doenças relacionadas com defeitos
em membranas
• Deficiências de α-glicosidade (lipossomas)
– Armazenamento incorreto de glicogênio tipo II
• Deficiência do transportador de iodeto
– Bócio congênito
• Defeito na endocitose de lipoproteínas de
baixa densidade (LDL)
– Hipercolesterolemia e doenças arteriais e coronárias
FUNÇÃO DAS MEMBRANAS
Barreiras seletivas
• Gradiente elétrico e químicoosmótico
• Bioenergética
• Ação neuronal
(propagação de impulso)
• Tradução de Sinais
(sinalização celular)
• Processos Celulares
–
–
–
–
–
Transporte
Motilidade
Reconhecimento
Interação
Fusão
Interação com o meio externo
• A membrana plasmática é também
responsável pelas trocas de material com o
meio extracelular via endocitose ou
exocitose,
• apresentam áreas estruturais especiais –
junções intersticiais (gap junctions) – através
das quais as células trocam material
Membranas Intracelulares
• As membranas intracelulares asseguram a integridade
estrutural das organelas presentes no interior da célula
– Mitocôndrias
– Retículo endoplasmático
– Complexo de Golgi
– Grânulos secretores
– Lisossomas
– Membrana nuclear
Composição das Membranas
• Proteínas
• Lipídeos
Proteínas ≥ Lipídeos
maioria não integrais
Mielina
Proteínas/lipídeos ~ 0,23
Membrana Mitocondrial
Proteínas/lipídeos ~ 3,23
Singer (1975)
Constituição
• Fosfolipídeos
– Fosfoglicerídeos (glicerol + ácidos graxos)
– Esfingolipídeos (esfingosina + ácidos graxos)
• Mielina
• Glicoesfingolipídeos
– Cerebrosídeos
– gangliosídeos
• Esteróis
– Colesterol (mamíferos)
•
•
•
•
Membrana plasmática
Mitocondrias
Complexo de Golgi
Membrana nuclear
– ergosterol
Classificação de Lipídeos
• Ácidos graxos
• Trigliceróis
• Glicerofosfolipídeos
• Esfingolipídeos
• Colesterol
Ácidos Graxos
São compostos que apresentam uma longa cadeia
hidrocarbonada e um grupo terminal carboxílico
(cauda)+(cabeça)
SATURADOS
INSATURADOS
Monoisaturados
Poli-insaturados
Mais abundantes
Mais abundantes
ácido esteárico (18:0)
ácido palmítico (16:0)
ácido oléico (18:1) (9)
[C9=C10]
ÁCIDOS GRAXOS
Ácido Láurico
Ácido Mirístico
Ácido Palmítico
Ácido Esteárico
Ácido Araquídinico
Ácido Berênico
12
14
16
18
20
22
Ácido Palmitoléico
Ácido Oléico
Ácido Linolênico (α
α-linolênico, γ-linolênico)
Araquidônico
16
18
18
20
...
Voet & Voet, 1995
Ácidos Graxos
Garrett, 1995
Triglicerídeos
Garrett, 1995
Lehninger, 2000
GLICEROFOSFOLIPÍDEOS
(fosfoglicerídeos)
FOSFOLIPÍDEOS
PRINCIPAIS CONSTITUINTES DAS MEMBRANAS BIOLÓGICAS
Ácido fosfatídico
Fosfatidilcolina (lecitina)
Fosfatidiletanolamina
Fosfatidilglicerol
difosfatidilglicerol (cardiolipina)
Fosfatidilserina
Fosfatidilinositol
Alberts al., 1998 The Cell
FOSFOLIPÍDEOS
Garrett, 1995
Garrett, 1995
Alberts et al., 1998 The Cell
Cerebrosídeos
Garrett, 1995
Gangliosídeos
Garrett, 1995
Propriedades de Agregados
Lipídicos
• Micelas
• Bicamadas
• Lipossomas
ESTRUTURAS LIPÍDICAS
Monocamadas e micelas: Em meio aquoso, os
lipídeos, espontaneamente, formam estruturas.
MONOCAMADAS (baixas concentrações)
MICELAS (altas concentrações)
CMC=concentração crítica micelar
BICAMADAS LIPÍDICAS
VESÍCULAS
Lipossomas
Estruturas Lipídicas
Figura 2. Agregados de lipídeos anfipáticos dispersos em água
Lehninger, 2000
Figura 3. Organização dos fosfolipídeos em micelas
Lehninger, 2000
Micelas
Incorporação de água em micelas com quantidade
excessiva de moléculas ou com forma elipsoldal.
Voet & Voet, 1995
A Bicamada Lipídica
• Fosfolipídios formam bicamadas em água
• A bicamada lipídica é um fluido bidimensional
• A fluidez da bicamada depende da sua
composição
• A bicamada é usualmente assimétrica
• A assimetria é gerada dentro da célula
• Bicamadas lipídicas são impermeáveis a solutos
e íons
Figura 4. Organização dos fosfolipídeos em bicamadas
Lehninger, 2000
Ácidos graxos saturados
Formam “empacotamentos”, de forma
organizada e rígida, de moléculas umas
muito próximas das outras.
Ácidos graxos insaturados
Não permitem o empacotamento rígido das
Moléculas, originando agregados flexíveis
e fluidos.
Figura 5. Organização dos fosfolipídeos em
vesículas - lipossomas
Lehninger, 2000
Lipossomas
multilamelares
(MLV)
Lipossoma
unilamelar
(SUV)
Voet & Voet, 1995
Vesículas Multilamelares
Estrutura das Membranas Biológicas
Figura 1. Arquitetura supramolecular das membranas
Lehninger, 2000
Variedade de Composição
• Grande variedade de proteínas
Diferentes funções nas membranas
• Grande variedade de lipídeos
(>100 tipos diferentes em células eucarióticas)
Composição das Membranas
• Lipídeos das membranas
Auto-agregação em torno de um meio aquoso
CCA= concentração crítica de agregação
10-10 M/l e 10-5 M/l
Organização dos Lipídeos nas
Membranas
ESTRUTURAS
• Bicamada lipídica
• Forma hexagonal Inversa
– (exceto esteróides)
• Cúbica
A capacidade de transição entre as diferentes conformações permite a funcionalidade das membranas.
Fosfolipídeos das Membranas de
Eucariotos
(80—90% do total de lipídeos)
• Derivados da colina
– PC fosfatildicolina
– SM esfingomielina
• Derivados amínicos
– PE Fosfatildietanolamina
– PS Fosfatildilserina
Diversidade dos Lipídeos nas
Membranas
• 1. Variabilidade Intermembranas
– A Composição lipídica está associada com a
função
– Membranas das organelas apresentam
composição lipídica diferente
Composição Lipídica das Membranas Biológicas
Distribuição assimétrica de fosfolipídeos entre a membrana plasmática
interna e externa de eritrócitos.
Lehninger, 2000
Tipos de gradiente intracelular
Lipídeos
Esfingomielina
Colesterol
Membrana Plasmática
↑
↑
Membrana Nuclear
↓
↓
Membrana Mitocondrial
↓
↓
Quantidade Relativa de SM e CH em
diferentes organelas
• SM
-3%
5%
7%
12%
• CH
3%
5%
8%
12%
15%
• organela
Mitocôndria
Núcleo
Retículo Endoplasmático
Complexo de Golgi
Membrana Plasmática
Efeito do Envelhecimento sobre a
Homeostase Membranar
• ↑ colesterol e esfingomielina
• ↑ saturação das cadeias policarbonadas
Deterioração da Homeostase
Membranas: Assimetria
Proteínas x Lipídeos
• Lipídeos
– Membrana externa
• Fosfatidilcolina
• Esfingomielina
• Colesterol (↑
↑ [ ])
– Membrana interna
• Fosfatidilserina
• Fosfatidiletanolamina
• Colesterol (↓
↓ [ ])
Membranas: Assimetria
Proteínas × Lipídeos
• Proteínas
– Distribuição irregular de proteínas na membrana
– Assimetria da membrana externa: presença de
carboidratos conjugados à proteínas
– Assimetria da membrana interna: presença de enzimas
– Assimetria regional (local)
• Gap junctions – Junções intersticiais
• Sinapses
Membranas: “Turnover”
• Membranas são estruturas dinâmicas com
renovação (turnover) de proteínas e
lipídeos.
Movimento de lipídeos
Membrana externa x membrana interna
• Movimento transverso
– Flip-flop (interna externa)
• Movimento lateral
– Difusão ao longo da membrana (µ
µm/s)
Homeostase membranar
• Troca espontânea de Fosfolipídeos entre membranas.
• Processo lento: t1/2 de várias horas
• Colesterol (t1/2 de minutos ou horas)
• Depende da atividade de proteínas transportadoras de
lipídeos
• (50 – 2500 nmol.m-1.mg-1)
• Mecanismo (?)
processo homeostático multifatorial, depende da
energia envolvendo:
– A síntese de lipídeos membranares
– Transporte vesicular
Movimentos dos Lipídeos na Estrutura das
Membranas Biológicas
Lehninger, 2000
Razões para a Assimetria
Lipídica das Membranas
• A assimetria permite um meio adequado para as
enzimas membranares
– Reorientação de PS e PE: controle ou ativação
de enzimas específicas.
• Fusão de membranas:
– Controle do lado no qual as membranas começam a
fusão.
• Assimetria incorreta de fosfolipídeos × situações
patológicas
Manutenção da estabilidade da
assimetria das membranas
• Proteínas responsáveis pela síntese de lipídeos
• Atividade de Flipases (proteínas específicas)
• Ex. Flipases
– 1. Aminofosfolipídeos translocases
– 2. Proteínas da resistência multidroga (MDR)
• Transporte de drogas anfifílicas e fosfolipídeos do
lado externo para o lado interno da membrana
plasmática.
•Ex. Flipases
• Expressão de genes MDR3 (humano) e
Andr2 (ratos)
translocação de
fosfatidilcolinas de cadeia longa.
• Expressão do gene MRD1
movimento
de fosfolipídeos que possuam no mínimo
uma cadeia pequena.
• Ex. Flipases
– 3. Complexos protéicos
redistribuição rápida de fosfolipídeos após a entrada de
Ca2+ na células
– 4. Proteínas ATP-independente transportadoras
de fosfolipídeos
(glicerofosfolipídeos e glicoesfingolipídeos)
Retículo endoplasmático e complexo de Golgi
Hipóteses para assimetria nas Membranas
• 1. Promoção de um meio assimétrico para as
enzimas membranares
– Reorientação de PS e PE constitui um meio de controle
ou “trigger” de enzimas específicas.
• 2. Fusão de membranas, controlando o lado na
qual as duas membranas começam a fundir.
• 3. Manutenção da curvatura das membranas
através de forças controladoras de bombas
lipídicas e enzimas, responsáveis pelo fluxo
transmembranar de fosfolipídeos
– Eventos que ocorrem durante a formação de vesículas
endocíticas.
Importância da Assimetria Lipídica
nas Membranas
• Assimetria fosfolipídica incorreta
situações patológicas.
β-talassemia=
PS camada interna -> camada externa de eritrócitos.
Exposição de PS ao sangue => anemia; ↓ t1/2 eritrócitos.
Reconhecimento de OS pelos macrófagos e apoptose
celular.
PS tem papel importante no estado hipercoagulação
associado à β-talassemia severa.
Distribuição Lipídica numa
Membrana Plana
• Há evidências que os lipídeos são
organizados lateralmente em domínios
distintos:
• Organização lateral de longo-alcance
(fluorescência)
• Organização lateral de curto-alcance
(espectroscopia)
Assimetria Membranar
• Proteínas e Lipídeos =>
– Diferentes quantidades nas partes internas e
externas da membrana biológica.
• Membrana Plasmática de Eucariotos:
PS, PE, PI
PC, SM, GL
(monocamada interna)
(monocamada externa)
• A composição de Ácidos Graxos, mesmo em
lipídeos contendo cabeças polares idênticas, é
diferente nos dois lados da bicamada.
• ASSIMETRIA MEMBRANAR
Transporte de proteínas apical e basolateral
– Rede de trabalho trans-Golgi (complexo)
– Endossomo basolateral
Tráfego de proteínas nas células epiteliais
Via de transdução: Clássica sinalização –
– proteína G- proteínas quinases)
Relevância na Transdução de sinais e na
expressão gênica
• Fosfatidilinositol-4,5-bifosfato (Chave da transdução)
Hidrólise (fosfolipase C)
Diacilglicerol
20 MENSAGEIROS
Inositol trifosfato
Esfingomielina e ácido fosfatídico
metabólicos
Efeitos Ambientais
• A composição lipídica de membranas
responde a modificações de fatores
ambientais (e.g., dieta, temperatura...)
Efeitos de idade ou doença
•A composição lipídica modifica-se com o
desenvolvimento e idade da células.
Condições patológicas (células malignas, aterosclerose, etc.)
Colesterol nas Membranas
Biológicas
Alberts et al., 1998 The Cell
Colesterol
• Age como um mediador, controlando a
fluidez da membrana
– Efeito de condensação nas regiões de
desordem dos fosfolipídeos
– Efeito de desordem nas regiões ordenadas ou
na fase cristalina
↑ Fluidez ↑ permeabilidade (H2O, íons)
Voet & Voet, 1995
Função do Colesterol
• Fluidez × temperatura de transição de fase (Tg)
• Colesterol de intercala nas moléculas de
fosfolipídeos
– Grupo OH interface aquosa
– Estrutura esteróide hidrofóbica na monocamada
Colesterol: Temperatura de Tansição
de Fase (Tg)
• T>Tg
– Estrutura rígida esteroidal interage com os
grupamentos ácidos dos fosfolipídeos menor movimento; menor fluidez
• T<Tg
– Interação do colesterol com cadeias acilas
interferindo no alinhamento menor T estado fluido; gel ocorre (mantém
fluidez em ↓T)
INTERAÇÕES NÃO COVALENTES NAS
BICAMADAS LIPÍDICAS
As bicamadas lipídicas possuem tendência
inerente a serem extensas
As bicamadas lipídicas podem fechar sobre si
mesmas e formar vesículas
As bicamadas lipídicas são auto selantes, pois
um orifício na bicamada é energeticamente
desfavorável
INTERAÇÕES NÃO COVALENTES NAS
BICAMADAS LIPÍDICAS
Hidrofóbicas
Forças atrativas de van der Waals
Caudas hidrocarbonadas
Atrações eletrostáticas
Pontes de hidrogênio
Cabeças polares - água
Moléculas de água são liberadas das caudas hidrocarbonadas dos
lipídeos quando essas caudas ficam seqüestradas no interior apolar da
bicamada
Transição de fases em bicamadas
T< Tm
bicamada organizada com cadeias alifáticas
relativamente imobilizadas (conformação
extendida máxima)
área superficial/ lipídeo é mínima
espessura da bicamada é máxima
T>Tm
fase líquida (mobilidade das cadeias alifáticas é
intermediária entre os estados sólido e liquido dos alcanos).
área superficial/ lipídeo aumenta
espessura da bicamada diminui de 10 a 15 %
Transição de fases em bicamadas
1. As transições de fases são sempre endotérmicas;
o calor é absorvido enquanto a temperatura aumenta
durante a transição
2. Fosfolipídeos apresentam temperaturas de transição
de fase específica (Tm): aumenta com o comprimento
da cadeia alifática, diminui com a insaturação e
depende da natureza do grupo polar da cabeça
3. Em bicamadas de fosfolipídeos puros, a transição
ocorre em faixa estreita de temperatura. Ex:
Tm dimiristoilfosfatidilcolina = 0,2°C.
4. Membranas biológicas apresentam faixa larga de transição
de fase e dependem fortemente da composição dos lipídeos e
proteínas.
Transição de fases em bicamadas
5. Para certas bicamadas de lipídeos, uma modificação no
estado físico, chamada de pré-transição, ocorre de 5°a
15°C abaixo de Tm. Estas pré-transições envolvem
inclinação das cadeias hidrocarbonadas
6. Geralmente a fase de transição está relacionada com
modificação do volume.
7. A transição de fase da bicamada é muito sensível à
presença de solutos que interagem com os lipídeos, tais
como cations divalentes, substâncias lipossolúveis,
peptídeos e proteínas
Garrett, 1995
Proteínas Integrais (globulares)
• Glicoforina
• Imunoglobulinas
• Receptores
(eritrócitos)
(linfócitos)
(membrana plasmática)
Proteínas Periféricas
• Anquirina
• Espectrina
(eritrócitos), citoesqueleto
(eritrócitos), citoesqueleto
Proteínas integrais em
bicamadas lipídicas são
“solvatadas” pelos lipídeos
através
de
interações
hidrofóbicas
entra
a
proteína e a cauda apolar
dos lipídeos.
Voet & Voet, 1995
Proteinas Integrais das Membranas
Associação de proteínas integrais com os lipídeos da bicamada: α-hélice,
folhas β, ligação covalente com lipídeos, interação não covalente com outras
proteínas.
Alberts et al., 1998 The Cell
Proteínas Membranares
Enzimas
Transportadoras
Estruturais
Antígenos (histocompatibilidade)
Receptores
Retículo endoplasmático = 6~8 proteínas
membranares
Membrana plasmática > 100
proteínas
membranares
Alberts et al., 1998 The Cell
Proteínas Membranares
• Proteínas associam-se à bicamadas lipídicas de
várias formas
• Uma cadeia polipeptídica usualmente cruza a
bicamada como um α-hélice
• Proteínas membranares podem ser solubilizadas
por detergentes e purificadas
• A estrutura completa só é conhecida para umas
poucas proteínas de membrana
• A superfície da célula é revestida com
carboidratos
• Células podem restringir o movimento das
proteínas membranares
Membranas: Permeabilidade
Seletiva
• A membrana plasmática apresenta
permeabilidade seletiva e age como uma
barreira, mantendo, portanto,uma composição
diferente entre o meio intracelular e
extracelular.
• A permeabilidade seletiva é devida à presença
de proteínas que formam canais e bombas para
íons e substratos; e por receptores específicos
para moléculas sinalizadoras tais como
hormônios.
Disposição da glicoforina
na bicamada da
membrana plasmática de
eritrócitos.
Lehninger, 2000
Remoção de proteínas
das
membranas.
Periféricas: pH, força
iônica, remoção de
Ca2+ por agentes
quelantes,
phospholipiase
C.
Integrais: detergente.
Lehninger, 2000
Difusão Lateral de Proteínas nas Membranas
Biológicas
Figura 7. Restrição de difusão lateral da glicoforina em eritrócitos
Lehninger, 2000
Estrutura das Membranas Biológicas
Figura 8. Separação das bicamadas de fosfolipídeos das membranas
pela técnica de criofractura
Lehninger, 2000
Classificação e Nomenclatura de
Fosfolipídeos
Há várias maneiras de classificação:
• Classes de fosfolipídeos
• Forma ou tipo de ligação da cadeia alifática
com o esqueleto fosfolipídico
• Grupos da cabeça polar
• Variabilidade da cadeia, em termos de n0 de
átomos de Carbono, grau de insaturação,
tipo duplas ligação, presença de anéis etc.
Interações entre Componentes
da Membrana
• Formação de microdomínios
• Volume livre na membrana
Membranologia Moderna
• Organização em longa ou curta escala da
estrutura membranar versus função
Transdução de Sinal e
Expressão Gênica
• PIP2
IP3 + diaglicerol (lipídeo)
(hidrossolúvel)
Seletividade para cabeça polar
• Esfingomielina
(diacilgliceróis e fosfatídeos)
• Acido fosfatídico
Seletividade para determinadas
cadeias acilas
• Fluidez e/ou separação lateral de fases nas
membranas
• A expressão de genes relacionados ao estresse
ou genes que controlam a composição lipídica
• A composição da membrana lipídica:
regulação da função de proteínas celulares
Efeitos do meio na composição
da membranas (lipídeos)
•
•
•
•
•
•
Dieta
Distúrbios na homeostase
Temperatura
Desenvolvimento
Modificações na composição lipídica
Idade celular
Transformação maligna
Propriedades celulares
Aterosclerose
Eliminação das células apoptóticas
Agregação e Organização
de Lipídeos
“Parâmetro de empacotamento” (Israelachvili et al., 1980)
PP= V/a.lc
• V= volume hidrofóbico
• a= área superficial ocupada pela região polar do
anfifílico na interface água-ar
• lc= Comprimento da região hidrofóbica
– Comprimento da cadeia hidrocarbonada (fosfolipídeos
e glicerídeos)
– Núcleo estoroidal (esteróides)
Parâmetro:
• PP~1
Moléculas cilíndricas
• PP<1
Micelas
• PP>1
Estruturas hexagonais inversas
(fase II)
• PP<<1
Esferas (vesículas)
Bicamadas!
Modificações
• Temperatura
Modificação PP
• pH
Modificação no estado
de agregação
• Força iônica do meio
Predição da forma do agregado de
anfifílicos em misturas
• Estimação grosseira
da formação de
bicamadas em misturas
de fosfolipídeos
PE + CH (PP > 1)
Liso-PC
Gangliosídeos
Ácidos graxos
Liso-PC + AG
cálculo do valor
médio PP
Σ PP
n
bicamada
micelas
bicamada
Bicamada Lipídica (PP~1)
• Interação anfifílica com íons ou moléculas
polares
Alteração PP
Micelas
• Fase lamelar
Hexagonal
Bicamada Lipídica (PP~1)
• Simetria:
quase planar
cilíndrica
periódica (tipo fase cúbica)
• Cadeias hidrocarbonadas oposta
(pode haver superposição)
Bicamadas
• Interação entre as cabeças polares
– Pontes de Hidrogênio
– Ligações iônicas
• Repulsão entre as cabeças polares
– Estérica
– Eletrostática
– Forças de hidratação
Formação de Lipossomas
• Dispersão de lipídeos em água (T >Tc)
• Vesículas esféricas em bicamadas
– Unilamelares (SUV)
– Multilamelares (MLV)
• MLV
Lipossomas
energia
• SUV
>40 nm lipídeos polares (+)
>100 nm lipídeos polares (-)
PE vesículas instáveis
• Lipossomas SUV
agregação/fusão
tensão de
empacotamento
Conformações na Cadeia Alifática dos
Lipídeos em Bicamadas
• Fase em gel (Lβ):
organizada configuração trans
• Espessura de camada d1=1,27 nC de lipídeos
(cadeia alifática)
nC = numero de C por Cadeia
Duplas ligações
~0,5 nm (cada =)
↓ o comprimento de cadeia
hidrocarbonada
Membranas Biológicas:
Organização de Bicamadas
• Fase fluida lamelar (Lα)
• A orientação da desordem das cadeias aumenta não
linearmente com os terminais das cadeias
• Parâmetro de Ordem
– Grau de insaturação da cadeia
– Comprimento total das cadeias
Substâncias que afetam a ordem
(organização) das Membranas
• Fluidez do interior da membrana é essencial:
– Barreira para o transporte de solutos polares
– Solvente para substâncias menos polares
• Colesterol:
• Peptídeos
• Proteínas:
alta afinidade com cadeias saturadas
↑ ou ↓ a ordem das membranas
dependendo da forma e dimensão
Região das Cabeças Polares e
Adjacências
• Função da Interfase membrana – solução em sistemas
biológicos
(diferentes extensões em diferentes sistemas biológicos)
Comprimento
PC = cabeça polar
0,5 nm
(fosfato)
0,9 nm
(glicerol)
Região interfacial de 0,8 nm (no mínimo)
PEG-lipídeos =
4 – 10 nm ou 15 nm
(PEG 2000, PEG 5000)
Glicocálix células eucarióticas =
10 nm
Glicocálix de bactérias gram-negativas =
> 10 nm
• A região rica em proteínas e lipídeos próxima
a superfície da membrana
Transição suave entre o interior da membrana
(livre de carga) e a fase externa (rica em
carga– íons e eletrólitos, maior constante
dielétrica)
• ↑ espessura
↑ hidração da membrana
↓ eletrólitos na fase externa
• Intumescimento:
• Lipídeos muito polares e substâncias com cabeça
polar longa
• > interfase
> intumescimento
• Lipídeos pouco polares e substâncias com cabeça
polar curta
• < interfase
< intumescimento
• Adsorção de H2O e moléculas polares
↑ interfase =>
↑ mobilidade das partes polares da moléculas
• ↑T
• alarga a região interfacial nas fases lamelar,
sub-lamelar e não lamelar.
• Interfase membrana – solução
•
•
•
•
•
(reconhecimento diferente)
Segmentos de duas membranas diferentes
Formação de complexo
Reconhecimento seletivo
Adaptação de moléculas “estranhas”
Resposta imune
Distribuição de Carga nas Membranas
• Distribuição não uniforme de cargas na região
superficial da membrana
• Interfase =
• Interior (núcleo) =
↑ polaridade (perfil dielétrico)
↓ polaridade
• Mobilidade de cargas
• (redistribuição)
– Mobilidade
– Entropia
– Repulsão eletrostática
superfície (interfase)
Distribuição de cargas
• A distribuição de cargas na interface difere daquela
nas moléculas isoladas
Aumento na parte mais externa da região interfacial
• Interfaces de Membranas Biológicas
(difícil modelagem)
Propriedades eletrostáticas da extensa interface:
• Várias regiões consecutivas com diferentes
densidades de carga, comprimento, polaridade,....
Propriedades Eletrostáticas das
Membranas
• A maioria das membranas biológicas são carregadas
com cargas negativas
Potencial eletrostático de superfície
• Potencial zeta = mobilidade eletroforética de cargas
• Medidas:
– zeta potenciômetro => eletroforese
– Zeta-sizer => espectroscopia de correlação de fótons
– Sondas de Fluorescência => Ex. HC (7-heptadecil-7hidroxicumarina)
Hidratação da Membrana
• Região hidratada
~0,1 a 0,3 nm
Superfície de hidratação × polaridade
• Bicamada H2O => unidade termodinâmica que
reage consistentemente às variações externas.
~10 nm (2 ou 3 moléculas)
• Modificação na hidratação da membrana ==
Mudança na estrutura
• Estresse osmótico ==
adaptação morfológica da membrana
Hidratação
• Hidratação
modificação na conformação da
cabeça polar dos lipídeos
• ↑ Volume exposição
• ↑ Velocidade
• ↑ Motilidade
Cabeça polar
Exposição subfase
aquosa
Hidratação × Estabilidade Física e
Química das Membranas
• A sub fase aquosa é a fonte de espécies reativas de
Oxigênio (ROS)
– Oxidação de lipídeos
• Radiação ionizante
Prevenção da oxidação
• Lipídeos em solventes orgânicos (<0oC)
• Lipídeos – PEG
• Lipídeos – H2O =>
– estabilidade de suspensões membranares
• Moléculas de H2O (raras) na bicamada =>
– Instabilidade da membrana
Desidratação da Membrana
• Ligação de solutos
• Presença de lipídeos – PEG
– Desidratação da cabeça polar
– Aumento da hidratação da cadeia conjugada
com o PEG
Curvatura da Membrana
• Arranjo molecular de misturas de lipídeos
– Composição local
– Curvatura da bicamada
• A não uniformidade lateral da membrana
transformações locais de membranas ou na
forma das vesículas
• Lipídeos mais polares ( força de repulsão na
parte hidrofílica)
– Concentração na região de alta curvatura
negativa
• Lipídeos com caráter predominantemente
hidrofílico
– Acumulam-se em regiões da membrana com
curvatura de superfície positiva
Forças e Fatores Envolvidos na
Formação de Membranas
• 1. Interações proteínas – lipídeos
• Estado fluido da membrana =>
– fase de cristal liquido bidimensional
• Incorporação de macromoléculas
– (DNA e proteínas)
Forças e Fatores Envolvidos na
Formação de Membranas
• 1. Interações proteínas – lipídeos
• Deformações na bicamada:
– Rearranjos locais
– Separação dos diferentes componentes da
membrana
• Domínios de lipídeos carregados
– Interações eletrostáticas
– Composição heterogênica de lipídeos na
membrana
• Incorporação de proteína integral hidrofóbica na
membrana adjacente
– Deformações elásticas do meio lipídico
• Se a dP >dB
(espessura da proteína) > (espessura da bicamada)
A bicamada lipídica será “esticada” para evitar a
exposição das regiões hidrofóbicas das proteínas para a
fase aquosa
• Se a dP = dB
(espessura da proteína) = (espessura da bicamada)
A proteína rigidamente ligada => diminuição da entropia
conformacional da cadeia lipídica circundante
Formação de domínio lateral por
peptídeos pequenos de caráter básico
Interações eletrostáticas
• Substrato para proteína C-quinase
(membrana de macrófagos)
• MARCKs
(rico em alanina miristoilada)
• Agregação de MARCKs na superfície da
membrana
– Migração de lipídeos + para regiões abaixo
– Formação de domínios laterais importantes na
transdução de sinais
Exemplo
• PIP2: Seqüestrados em domínio PS
• PLC (fosfolipase): Excluída do domínio PS
• MARCKs –proteína-quinase P (fosforilação)
– Dissociação de MARCKs da bicamada
PLC
PIP2
IP3+DAG
Exposição de PIPI2 a PLC
Formação de domínios em vesículas
fosfolipídicas por peptídeos ++
Estado de ENERGIA MÍNIMA
(Ganho de energia > perda de energia)
• a) repulsão eletrostática entre lipídeos (-) que
migraram para o domínio
• b) repulsão eletrostática entre peptídeos (+) que
formam o domínio
• c) O domínio da entropia da mistura “lipídeos e
peptídeos”
IMPORTÂNCIA
– Terapia Gênica
– Catiônicos
– Lipossomas contendo DNA
Métodos de Estudo
• RMN (deuterium)
• Espectroscopia RMN bidimensional de próton
associada ao ângulo de rotação mágico (MAS) –
MAS NOESY
Colesterol
– Microdomínios lipídicos
– Organização dependente de:
• Cabeça polar
• Insaturação da cadeia