ESTRUTURA E FUNÇÃO DE BIOMEMBRANAS UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESTRUTURA E FUNÇÃO DE BIOMEMBRANAS Prof. Dr. Mauricio Mussi Molisani

Há bilhões de anos: proteínas e aminoácidos se acumulavam 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 Por que esta estrutura se preservou? Processo evolutivo (milhões de anos) FUNÇÕES SEPARAR e INTEGRAR ORGANELAS X CITOSOL CÉLULAS X MEIO Reticulo endoplasmático, complexo de Golgi, Lissossomo, Peroxissomo, Mitocôndria, Cloroplasto, Vacúolo, Vesículas MEMBRANA PLASMÁTICA

Manutenção do equilibrio iônico com o meio extracelular SEPARAR E INTEGRAR CÉLULAS X MEIO Proteção da célula Manutenção do equilibrio iônico com o meio extracelular Reconhecimento celular e molecular Adesão Comunicação celular 103 mm ORGANELAS X CITOSOL Controle de atividades celulares Organização dos sistema enzimáticos Execução de funções especializadas

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

A: UNIPASSO (RECEPTORES) 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

CONTROLE DE ATIVIDADES CELULARES: 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 Lehninger (2006) Princípios da Bioquímica, 4° ed., Editora Sarvier Alberts et al. (2002) Molecular Biology of the Cell, 4° ed. New York, Garland

Questões 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.