UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO
ESTRUTURA E FUNÇÃO DE BIOMEMBRANAS
Prof. Dr. Mauricio Mussi Molisani
TEORIA DA ORIGEM DA VIDA E O APARECIMENTO DAS BIOMEMBRANAS
- Há bilhões de anos: proteínas e aminoácidos se acumulavam
nos solos oriundos de reações mediadas pela alta temperatura
radiações, descargas elétricas e a composição químicas do
planeta;
- A formação dos mares carreou estas substâncias para o meio
aquoso que se combinavam multiplicando-se quantitativamente
quanto qualitativamente e formando colóides (agregados);
-Estes colóides formaram coacervados estabilizados pela coesão
interna da água líquida (ligações de hidrogênio) formando pontes
entre estes solutos e permitindo a interação;
-A organização de móléculas de proteínas e lipídios na periferia
de cada gotícula formou o primeiro rascunho de biomembrana
Por que esta estrutura se preservou?
Processo evolutivo (milhões de anos)
FUNÇÕES
SEPARAR e INTEGRAR
CÉLULAS X MEIO
MEMBRANA PLASMÁTICA
ORGANELAS X CITOSOL
Reticulo endoplasmático, complexo de Golgi,
Lissossomo, Peroxissomo, Mitocôndria,
Cloroplasto, Vacúolo, Vesículas
SEPARAR E INTEGRAR
CÉLULAS X MEIO
-Proteção da célula
-Manutenção do equilibrio iônico com o meio
extracelular
-Reconhecimento celular e molecular
-Adesão
- Comunicação celular
ORGANELAS X CITOSOL
-Controle de atividades celulares
-Organização dos sistema enzimáticos
-Execução de funções especializadas
103 mm
ESTRUTURA DE BIOMEMBRANAS
Modelos moleculares da organização das biomembranas
• Overton (1902) Monocamada lipídica
• Gorter & Grendell (1926) Bicamada lipídica
• Danielli & Davson (1935) Bicamada lipídica com
proteínas aderentes a cada superfície
• Robertson (1959) Unidade de membrana
• Singer & Nicolson (1972) Mosaico fluido
Modelo molecular das membranas
Modelo do Mosaico Fluido (Singer e Nicolson, 1972)
-Mosaico: Proteínas embebidas na bicamada lipídica
- Fluido: Proteínas e lipídios apresentam-se em movimento
nas membranas
-De uma maneira geral, os lipídios representam 50% da massa na maioria das
membranas sendo os outros 50% referentes as proteínas
-Esta proporção é variável sendo a relação proteína/lipídio de 0,23 na bainha de
mielina que envolve os neurônios e 3,23 na membrana de mitocondrias
-Os carboidratos são associados as proteínas ou aos lipídios fazendo parte da
composição
- Formada por três tipos principais de lipídios:
Fosfolipídios
Esteróis
Glicolipídeos
FOSFOLIPÍDIOS – Um dos principais constituintes
de biomembranas
-LIPÍDIOS COMO MOLÉCULAS ANFIPÁTICAS
(amphy=dois, philos=amigos)
Assimetria dos fosfolipídios da membrana, os lipídeos voltados para o
meio extracelular não são idênticos aos voltados para o citoplasma
Movimentos determinados pelo
tipo de fosfolipídio e o tipo de
ligação saturada (- fluida, + rígida)
e insaturada (+ fluida, - rígida):
FUNÇÃO: PROTEÇÃO
ESTERÓIS – O colesterol é o esterol mais importante de
biomembranas. Em eucariotos a sua presença é similar a
dos fosfolopídios. Os anéis aromáticos conferem rigidez a
membrana aumentando a resistência os movimentos gerados
pelas caudas flexíveis dos fosfolipídios. Dificulta a
cristalização a baixas temperaturas pois sua posição entre
os fosfolipídios impede a aproximação entre e estes lipídeos
FUNÇÃO: PROTEÇÃO
PROTEÍNAS DE BIOMEMBRANAS: Confere individualidade e especificidade
as membranas podendo variar sua composição entre 50% a 75% da massa
de uma membrana
VISUALIZAÇÃO POR CRIOFRATURA DE PROTEÍNAS
INTEGRAIS E PERIFÉRICAS
PROTEÍNAS INTEGRAIS
A: UNIPASSO (RECEPTORES)
B: MULTIPASSO (PORO)
A PROTEÍNA ATRAVESSA A REGIÃO HIDROFÓBICA DA BICAMADA DEVIDO
A AMINOÁCIDOS COM CADEIAS LATERAIS HIDROFÓBICAS
OS LAÇOS PEPTÍDICOS HIDROFÍLICOS SE VOLTAM AO CENTRO FORMANDO
LIGAÇÕES DE HIDROGÊNIO QUE ENROLA A CADEIA EM ALFA-HÉLICE
PROTEÍNAS PERIFÉRICAS
- LIGADAS A PROTEÍNAS
INTEGRAIS
- LIGADAS A PRÓPRIA
BICAMADA
LIPÍDICA
CLASSIFICAÇÃO E ESTUDO DE MEMBRANAS
1 - USO DE DETERGENTES
2- MUDANÇA IÔNICA DO MEIO
3- USO DE ENZIMAS ESPECÍFICAS
- AS PROTEÍNAS EM BIOMEMBRANAS PODEM REALIZAR MOVIMENTOS
DE ROTAÇÃO E DIFUSÃO LATERAL
-OUTRAS PROTEÍNAS TEM SUA MOBILIDADE RESTRINGIDA DEVIDO A
BARREIRAS EM DOMÍNIOS DAS BIOMEMBRANAS.
Ex. Em células do epitélio intestinal voltadas para a luz do orgão que
necessitam absorver nutrientes; na cabeça de espematozóides que fará
contato com o óvulo.
-MECANISMOS: FORMAÇÃO DE COMPLEXOS PROTÉICOS; ASSOCIAÇÃO
AO CITOESQUELETO OU À MATRIZ CELULAR; LIGAÇÃO ENTRE PROTEÍNAS
DE CÉLULAS ADJACENTES
PROTEÍNAS DE MEMBRANA E O TRANSPORTE CELULAR
DIFUSÃO SIMPLES NÃO ANTENDE TODAS AS NECESSIDADES DAS
CÉLULAS: COMO VAMOS FICAR SEM GLICÓSE E ÍONS?
PROTEÍNAS MULTIPASSO (B) COMO OS CARREADORES E
CANAIS ESPECÍFICOS PARA UM TIPO DE MOLÉCULA
CANAIS: ATUAM COMO COMPORTAS ONDE PASSA GRANDE
QUANTIDADE DE MOLÉCULAS QUANDO ABERTO. TRANSPORTAM ÍONS
A FAVOR DO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO, DO COMPARTIMENTO COM
MAIOR CONCENTRAÇÃO PARA O DE MENOR (TRANSPORTE PASSIVO).
OS CANAIS SÃO ESPECÍFICOS PARA CADA ÍON OU GRUPO DE ÍONS.
-ESTAS PROTEÍNAS SÃO ESTIMULADAS POR LIGANTES
EX. ADRENALINA, EM SITUAÇÕES DE PERIGO INDUZEM A LIBERAÇÃO
DESTA SUBSTÂNCIA NA CORRENTE SANGUÍNEA QUE AO ENCONTRAR
OS CANAIS IÔNICOS ESPECÍFICOS NA SUPERFÍCIE DA MEMBRANAS
DISPARA PROCESSOS QUÍMICOS QUE RESULTAM NA ACELERAÇÃO DE
BATIMENTOS CARDÍACOS, SUOR E OUTROS SINTOMAS RELACIONADOS
POR VOLTAGEM
EX. CÉLULAS MUSCULARES, CANAIS DE CÁLCIO CONVERTE SINAIS
ELÉTRICOS EM SINAIS QUÍMICOS AO PERMITIR QUE ESTE ÍONS ENTRE
NO CITOPLASMA PARA ATUAR COMO MENSAGEIRO NA CONTRAÇÃO
MUSCULAR.
POR ESTÍMULOS MECANICOS
EX. PLANTAS INSETÍVORAS QUE DISPARAM CANAIS QUE FECHAM SUAS
FOLHAS AO SEREM PRESSIONADOS POR UM INSETO.
SINALIZAÇÃO CELULAR POR LIGANTES HIDROFÍLICOS
-Receptores tipo canal: sofre mudança conformacional induzida pelo ligante que abre o canal
Ex. Receptor de acetilcolina em células musculares esqueléticas
- Receptores ligados a proteína G também mudam de conformação e mediam outros receptores
AQUAPORINAS: PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS DE ÁGUA PERMITINDO
A PASSAGEM DE ÁGUA DO MEIO MAIS DILUÍDO (GERALMENTE
EXTRACELULAR) PARA O MAIS CONCENTRADO (CITOPLASMA).
AO RECEBER O ESTÍMULO ESTES CANAIS SÃO TRANSPORTADOS A
MEMBRANA.
EX. TÚBULOS COLETORES DOS GLOMÉRULOS RENAIS AJUDANDO A
CAPTAR A MAIOR PARTE DE ÁGUA PERDIDA DURANTE O PROCESSO DE
FILTRAGEM DO SANGUE, O QUE DIMINUE O VOLUME FINAL DE URINA
PRODUZIDO
-PARA REESTABELECER O GRADIENTE QUÍMICO DETERMINADO PELOS
CANAIS (TRANSPORTE PASSIVO) HÁ UMA GAMA DE PROTEÍNAS DE
MEMBRANAS QUE ATRAVÉS DO TRANSPORTE ATIVO (CONTRA O
GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO) REESTABELECE O GRANDIENTE QUÍMICO
DA CÉLULA E O ESTADO DE REPOUSO
CARREADORES E BOMBAS: SE LIGA A UM SOLUTO E MUDA DE
CONFORMAÇÃO LIBERANDO A MOLÉCULA DO OUTRO LADO DA CÉLULA.
TRANSPORTA POUCAS MOLÉCULAS POR VEZ. É REALIZADO MEDIANTE
GASTO DE ENERGIA “TRANSPORTE ATIVO” UTILIZANDO O ATP E ENVIANDO
MOLÉCULAS CONTRA GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO
EX. TRANFERÊNCIA ATIVA DE ÍONS PARA O MEIO EXTRACELULAR PARA
EVITAR ABSORÇÃO EXCESSIVA DE ÁGUA (EQUILÍBRIO OSMÓTICO)
EX. NAS MEMBRANAS DO RETÍCULO ENDOPLASMÁTICO BOMBAS DE
CÁLCIO RECOLHE ESTE ÍON USADO NA CONTRAÇÃO MUSCULAR PARA
QUE O MUSCULO VOLTE AO ESTADO DE RELAXAMENTO
EX. BOMBAS DE PRÓTONS EM BACTÉRIAS SÃO USADAS PARA SÍNTESE
DE ATP (GERAÇÃO DE ENERGIA)
EX. ALGUNS SISTEMAS ATIVOS NÃO GASTAM ENERGIA TRABALHANDO A
FAVOR DO GRADIENTE DE CONCENTRAÇÃO COMO NA MANUTENÇÃO
DO pH ONDE AUMENTO NA CONCENTRAÇÃO DE H+ SERÁ REVERTIDO
PELA TROCA DO SÓDIO ABUNDANTE NO MEIO EXTRACELULAR ATRAVÉS
DA BOMBA SÓDIO/POTÁSSIO
CONTROLE DE ATIVIDADES CELULARES:
MANUTENÇÃO DO EQUILIBRIO IÔNICO COM O MEIO EXTRACELULAR,
ROTAÇÃO DE FLAGELOS, SÍNTESE DE ATP, REGULAÇÃO DO pH,
REGULAÇÃO OSMÓTICA, REMEDIAÇÃO DE TOXICIDADE
CARBOIDRATOS DE BIOMEMBRANAS
- LIPÍDEOS E PROTEÍNAS DE BIOMEMBRANAS APRESENTA-SE LIGADAS A
CAROIDRATOS FORMANDO GLICOLIPÍDEOS E GLICOPROTEÍNAS
-O CONJUNTO DE CARBOIDRATOS DE MEMBRANAS É CHAMADO DE
GLICOCÁLIX E ESTÃO SEMPRE VOLTADOS PARA O MEIO EXTRACELULAR
COM FUNÇÃO DE PROTEGER A BICAMADA LIPÍDICA, ATUAR EM PROCESSOS DE
RECONHECIMENTO E ADESÃO
SISTEMA IMUNOLÓGICO (RECONHECIMENTO)
LIGAÇÃO DE TOXINAS, VIRUS E BACTÉRIAS:
RECONHECIMENTO E ADESÃO
MEMBRANAS DE ORGANELAS
-Controle de atividades celulares
-Organização dos sistema enzimáticos
-Execução de funções especializadas
A membrana plasmática representa 2 a 5%
do total de membranas da célula
As membranas de organelas enviam informações
via moléculas solúveis ou inseridas em
membranas
PERMEABILIDADE DA MEMBRANA
POLARIDADE
TAMANHO
CARGA
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1) Lehninger (2006) Princípios da Bioquímica, 4° ed., Editora Sarvier
2) Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell, 4° ed. New York, Garland
Questões
1) Quais características permitiram a presença das biomembras ao longo do tempo evolutivo?
2) Descreva como a interação da água com lipídios de biomembranas permitem
a estrutura de mosaico fluido.
3) Cite e descreva os componente de biomembranas e suas funções metabólicas.