FIGURA 12.1Micrografia eletrônica da membrana plasmática de eritrócitos mostrando a aparência trilaminar. Um espaço claro separa as duas linhas elétron-densas.

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1 FIGURA 12.1Micrografia eletrônica da membrana plasmática de eritrócitos mostrando a aparência trilaminar. Um espaço claro separa as duas linhas elétron-densas. Microscopia eletrônica demonstrou que a linha densa interna é freqüentemente mais espessa que a linha densa externa. Aumento de cerca de x.Cortesia do Dr. J. D. Robertson, Duke University, Durham, Carolina do Norte.

2 FIGURA 12.2Porcentagem de lipídeos e proteínas em várias membranas celulares. Valores são para fígado de rato, exceto para mielina e membrana plasmática de eritrócito humano. Valores do fígado de outras espécies, incluindo a humana, indicam um padrão semelhante. FIGURA 12.3L-Glicerol 3-fosfato. (a) Configuração estereoquímica de L-glicerol 3-fosfato (sn-glicerol 3-fosfato). O H e o OH ligados a C-2 estão acima, e C-1 e C-3 estão abaixo do plano da página. (b) Modelo de preenchimento de espaço de L-glicerol 3-fosfato.Cortesia de Dr. Daniel Predecki, Shippensburg University, Shippensburg, PA. Esquema colorido: H, branco; C, cinza; O, cinza-escuro; P, cinza-claro.

3 FIGURA 12. 4Estrutura de glicerofosfolipídeo
FIGURA 12.4Estrutura de glicerofosfolipídeo. (a) Ácidos graxos de cadeia longa são esterificados em C-1 e C-2 do L-glicerol 3-fosfato. X pode ser H (ácido fosfatídico) ou um dentre vários álcoois apresentados na Figura (b) Modelo de preenchimento de espaço.Cortesia de Dr. Daniel Predecki, Shippensburg University, Shippensburg, PA. Ver Figura 12.3 para esquema de cores.

4 FIGURA 12. 6Estruturas dos dois glicerofosfolipídeos mais comuns
FIGURA 12.6Estruturas dos dois glicerofosfolipídeos mais comuns. (a) Fosfatidilcolina e fosfatidiletanolamina. (b) Modelo de preenchimento de espaço de fosfatidilcolina.Cortesia de Dr. Daniel Predecki, Shippensburg University, Shippensburg, PA. Ver Figura 12.3 para esquema de cores.

5 FIGURA 12. 9Conformação de grupos ácidos graxos em fosfolipídeos
FIGURA 12.9Conformação de grupos ácidos graxos em fosfolipídeos. (a) Ácidos graxos saturado (palmítico) e insaturado (palmitoléico) com duplas ligações em trans são cadeias retas em sua conformação de mínima energia, enquanto uma cadeia (palmitoléico) com uma dupla ligação cis tem uma dobra. A dupla ligação trans é rara em ácidos graxos de ocorrência natural. (b) Modelos de preenchimento de espaço.Cortesia de Dr. Daniel Predecki, Shippensburg University, Shippensburg, PA. Ver Figura 12.3 para esquema de cores.

6 FIGURA 12. 13Esfingomielina contendo colina
FIGURA 12.13Esfingomielina contendo colina. (a) Estrutura de esfingomielina contendo colina. (b) Modelo de preenchimento de espaço.Cortesia de Dr. Daniel Predecki, Shippensburg University, Shippensburg, PA. Ver Figura 12.3 para esquema de cores e N. preto.

7 FIGURA 12. 16Colesterol. (a) Estrutura do colesterol
FIGURA 12.16Colesterol. (a) Estrutura do colesterol. (b) Modelo de preenchimento de espaço.Cortesia de Dr. Daniel Predecki, Shippensburg University, Shippensburg, PA. Ver Figura 12.3 para esquema de cores.

8 FIGURA 12.17Composição em lipídeos de membranas celulares isoladas de fígado de rato. (a) Quantidade dos principais componentes lipídicos em percentagem do total de lipídeos. A área correspondente a “Outros” inclui mono, di e triacilglicerol, ácidos graxos e ésteres de colesterol. (b) Composição em fosfolipídeos, em percentagem do total de lipídeos.Valores de R. Harrison e G. G. Lunt, Biological Membranes. New York: Wiley, 1975.

9 FIGURA 12. 19Interações de fosfolipídeos em um meio aquoso
FIGURA 12.19Interações de fosfolipídeos em um meio aquoso. (a) Representação de um lipídeo anfipático. (b) Corte transversal da estrutura de uma micela. (c) Corte transversal da estrutura de uma bicamada lipídica. (d) Corte transversal de um lipossomo. Cada estrutura tem estabilidade inerente devido às cadeias hidrocarbônicas e à atração dos grupos polares das cabeças por água.

10 FIGURA 12.20Mobilidade de componentes lipídicos em membranas.
FIGURA 12.21Modelo de uma bicamada lipídica paralisada num determinado instante. Uma bicamada artificial, consistindo de dipalmitoil fosfatidilcolina circundada por água, modelada em computador. As cores dos átomos são C cinza (exceto C metil terminal cinza-claro e C glicerol cinza-médio), O éster cinza quase preto, P e O cinza-claro, C e N colina cinza bem claro, O água cinza-escuro e H água cinza-clarinho. H dos lipídeos foram omitidos.Cortesia de Richard Pastor e Richard Venablr, FDA, Bethesda, Maryland.

11 FIGURA 12. 22Modelo do mosaico fluido para membranas biológicas
FIGURA 12.22Modelo do mosaico fluido para membranas biológicas. Figura reproduzida com permissão de D. Voet e J. Voet, Biochemistry, 2ª ed., New York, Wiley, Direitos autorais (1995) John Wiley & Sons.

12 FIGURA 12.23Distribuição de fosfolipídeos entre as camadas interna e externa da membrana de eritrócito humano. Valores são percentagens de cada fosfolipídeo na membrana. Outros incluem fosfatidilinositol, fosfatidilinositol 4-fosfato, fosfatidilinositol 4,5-fosfato e ácido fosfatídico. Dados de A. J. Verkeij, R. F. A. Zwaal, B. Roelofsen, P. Comfurius, D. Kastelyn e L. L. M. Van Deenan. The asymmetric distribution of phospholipids in the human red cell membrane. Biochim. Biophys Acta 323:178, Zachowski, A. Phospholipids in animal eukaryotic membranes: Transverse symmetry and movement. Biochem. J. 294:1, 1993.FIGURA 12.24Interações de proteínas de membrana com a bicamada lipídica. Diagrama ilustra os múltiplos tipos de ligações de proteínas na ou com a bicamada lipídica: (a) um único segmento transmembrânico; (b) múltiplos segmentos transmembrânicos; (c) ligada a uma proteína integral; (d) ligada eletrostaticamente à bicamada lipídica; (e) ligada por uma seqüência de aminoácidos hidrofóbica terminal curta; e (f) ligada não-covalentemente a um fosfatidilinositol (PI) da membrana.FosfatidiletanolaminaFosfatidilcolinaEsfingomielinaFosfolipídeos totaisFosfatidilserina Porcentagem do totalLamela internaLamela externaOutrosNNCC–––––+++++(a)(b)(c)(d)(e)(f)LadocitosólicoLadoextracelularProteínas integrais de membran

13 FIGURA 12.24Interações de proteínas de membrana com a bicamada lipídica. Diagrama ilustra os múltiplos tipos de ligações de proteínas na ou com a bicamada lipídica: (a) um único segmento transmembrânico; (b) múltiplos segmentos transmembrânicos; (c) ligada a uma proteína integral; (d) ligada eletrostaticamente à bicamada lipídica; (e) ligada por uma seqüência de aminoácidos hidrofóbica terminal curta; e (f) ligada não-covalentemente a um fosfatidilinositol (PI) da membrana.

14 FIGURA 12. 26Múltiplos segmentos transmembrânicos em -hélice
FIGURA 12.26Múltiplos segmentos transmembrânicos em -hélice. Modelo em fita de monômero de AQP1 de eritrócito humano. Múltiplos segmentos transmembrânicos em α-hélice formam uma estrutura tubular. O amino-terminal é azul, e o carboxi-terminal é laranja. Seis hélices inclinadas que atravessam a membra-na circundam dois hemiporos (alças com hélices curtas – turquesa e amarelo) que se encontram no centro da bicamada. A seta branca ilustra o canal aquoso através da proteína.Figura reproduzida com permissão de Kozono, D., Yasui, M., King, L. S. e Agre, P. Aquaporin water channels: atomic structure and molecular dynamics meet clinical medicine. J. Clin. Invest. 109:1395, Direitos autorais (2002) Amer. Soc. Clin. Invest. via Copyright Clearance Center. FIGURA 12.27Tipos de âncoras lipídicas para ligação de proteínas de membrana. (a) Âncora de glicosilfosfatidilinositol (GPI), (b) âncora miristoil, e (c) âncora tioéter.

15 FIGURA 12.28Âncora isoprenóide tioéter para ligação de proteínas de membrana.(a) Âncora farnesil e (b) âncora geranilgeranil.

16 FIGURA 12.29Estrutura da bicamada lipídica acima e abaixo da temperatura de transição. Figura reproduzida com permissão de D. Voet e J. Voet, Biochemistry, 2ª ed., New York: Wiley, Direitos autorais (1995) John Wiley & Sons, Inc.

17 FIGURA 12.30Representação esquemática de balsas lipídicas (lipid rafts) em membranas. O diagrama indica o movimento de balsas lipídicas com fusão de balsas e associação de duas proteínas.

18 FIGURA 12. 31Diagrama esquemático da membrana do eritrócito
FIGURA 12.31Diagrama esquemático da membrana do eritrócito. Diagrama indica a relação de quatro proteínas associadas à membrana com a bicamada lipídica. Glicoforina é uma glicoproteína que contém 131 aminoácidos. O canal de ânions contém mais de 900 aminoácidos e está envolvido em interação com anquirina e na difu-são facilitada de Cl- e HCO3-. Anquirina e espectrina são parte do citoesqueleto e são proteínas periféricas de membrana. Anquirina liga-se ao canal de ânions e espectrina é ancorada à membrana por anquirina.Figura reproduzida com permissão de D. Voet e J. Voet, Biochemistry, 2ª ed., New York: Wiley, Direitos autorais (1995) John Wiley & Sons, Inc.

19 FIGURA 12. 32Difusão de uma molécula de soluto por uma membrana
FIGURA 12.32Difusão de uma molécula de soluto por uma membrana. S1 e S2 são solutos em cada lado da membrana, e Sm é soluto na membrana. FIGURA 12.34Estrutura de porina Ompf em forma cristalina tetragonal. Os segmentos transmembrânicos da porina são hélices-β.PDB ID: 10 PF. Cowan, S. W., Garavito, R. M., Jansonius, J. N., Jenkins, J. A., et al. The structure of Ompf porin in a tetragonal crystal form. Structure 3:1041, 1995.

20 FIGURA 12. 35Simulação da permeação de água por AQP1
FIGURA 12.35Simulação da permeação de água por AQP1. (a) A simulação do tetrâmero AQP1 (cinza/cinza-médio/cinza-claro/cinza mais claro) mergulhado em uma bicamada palmitoil oleil fosfatidiletanolamina (cinza muito claro/cinza) envolvida por água (cinza-escuro/branco) consistindo de aproximadamente átomos. (b) Simulação da via de um dos monômeros de AQP1 para permeação de água, observado pelo poro.Figura reproduzida com permissão de Fujiyoshi, Y., Mitsuoka, k., de Groot, B. L., Philippsen, A., Grubmüller, H., Agre, P., e Engel, A. Structure and function of water channels. Curr. Opin. Struct. Biol. 12:509, © Elsevier.

21 FIGURA 12. 36Canal de água em uma subunidade de AQP1
FIGURA 12.36Canal de água em uma subunidade de AQP1. A forma do poro aquoso (cinza) é derivada de cálculos baseados na estrutura da AQP1 bovina. Três características do canal especifi cam seletividade para água: (a) Restrição de tamanho. Oito angstroms acima do ponto médio do canal, o poro se estreita para um diâmetro de 2,8 Å (aproximadamente o diâmetro de uma molécula de água). (b) Repulsão eletrostática. Um resíduo conservado (R, Arg-195) na constrição mais estreita do poro impõe uma barreira a cátions, incluindo água protonada (H3O+). (c) Reorientação do dipolo da água. Duas hélices parciais se encontram no ponto do meio do canal, fornecendo dipolos carregados positivamente que reorientam uma molécula de água quando ela passa por este ponto. Quebra de pontes de hidrogênio na fi la unitária de moléculas de água impede a formação de uma condutância de prótons.Reproduzido com permissão de Kozono, D., Yasui, M., King, L. S. e Agre, P. Aquaporin water channels: Atomic structure and molecular dynamics meet clinical medicine. J. Clin. Invest. 109:1395, © Elsevier

22 FIGURA 12.37Estrutura de subunidades do canal de Na+ voltagem-dependente.As estruturas primárias das subunidades do canal de Na+ voltagem-dependente são ilustradas como um diagrama de dobramento transmembrânico. Cilindros representam prováveis segmentos de α-hélice. Os cilindros escuros representam o sensor de voltagem e os cilindros cinza, os segmentos do poro (ver Figura 12.38). Linhas cinza representam as cadeias polipeptídicas de cada subunidade, com comprimentos aproximadamente proporcionais ao número de resíduos de aminoácidos nos subtipos de canais de Na+ cerebrais. Os domínios extracelulares das subunidades β1 e β2 são apresentados como estruturas globulares. Sítios de fosforilação da proteína são indicados por P.Redesenhado de Catterall, W. A., Goldin, A. I. e Waxman, S. G. International Union of Pharmacology. XXXIX. Compendium of voltage-gated ion channels: Sodium channels. Pharmacol. Rev. 55:575, 2003. FIGURA 12.38Possível modelo para o canal de Na+. O peptídeo único consiste de quatro unidades repetidas, com cada unidade se dobrando em cinco hélices transmembrânicas. Os segmentos transmembrânicos escuros representam o sensor de voltagem.Redesenhado de M. Noda et al., Nature, 320;188, 1986.

23 FIGURA 12. 40Modelo do receptor de acetilcolina (ACh)
FIGURA 12.40Modelo do receptor de acetilcolina (ACh). (a) O arranjo das subunidades do receptor de ACh e sua topologia comum. (b) Receptor de ACh mostrando a estrutura α-helicoidal do poro (cinza, hélices voltadas para o poro; preto, voltadas para lipídeo) em relação às superfícies da membrana e a estrutura folha-β (cinza-claro) compreendendo o domínio de ligação do ligante; o asterisco denota espaço aberto em uma interface da subunidade. (c) Vista de corte transversal através do pentâmero, no meio da membrana, mostrando partição da estrutura em partes voltadas para o poro e para lipídeo, com espaços intervenientes.Parte (a) redesenhada de Wilson, G. G. e Karlin, A. Acetylcholine receptor channel structure in the resting, open, and desensitized states probed with the substituted-cysteine accessibility method. Proc. Nat. Acad. Sci. USA 98:1241, Partes (b) e (c) reproduzidas com permissão de Miyazawa, A., Fujiyoshi, Y. e Unwin, N. Structure and gating mechanism of the acetylcholine receptor pore. Nature 423:949, Direitos autorais (2003) Nature.

24 FIGURA 12.41Modelo de um canal na junção tipo fenda (gap junction).
FIGURA 12.42Organização molecular de gap junction cardíaca recombinante. Modelo desenvolvido a partir de cristalografia eletrônica. (a) Uma visão lateral completa é mostrada. (b) A densidade foi cortada para mostrar o interior do canal. M, bicamada da membrana; E, espaço extracelular; C, espaço citoplasmático.Reimpresso com permissão de Unger, V. M., Kumar, N. M., Gilula, N. B. e Yeager, M. Science 283:1176, Direitos

25 FIGURA 12.44Modelo de sistema de transporte mediado em uma membrana biológica. Modelo é baseado no conceito de sítios específicos para ligação de substrato e uma mudança conformacional no transportador para mover o soluto ligado por uma pequena distância, mas para dentro do ambiente do outro lado da membrana. Uma vez movido, o soluto é liberado do transportador.

26 FIGURA 12.45Mecanismos uniporte, simporte e antiporte para deslocamento de substâncias. S e S’ representam moléculas diferentes. FIGURA 12.47Mecanismo de antiporte passivo de ânions para movimento de Cl– e HCO3– através da membrana plasmática do eritrócito.

27 FIGURA 12.48Envolvimento de energia metabólica (ATP) em sistemas de transporte ativo mediado. Energia química liberada na hidrólise de ATP a ADP e fosfato inorgânico é usada para conduzir transporte ativo de várias substâncias, incluindo Na+. O gradiente transmembrânico de concentração de Na+ também é usado para o transporte ativo de substâncias. FIGURA 12.49Estrutura da subunidade  da ATPase trocadora de Na+/K+. Modelo da subunidade α de ATPase trocadora de Na+/K+ de carneiro. Os domínios previstos são o domínio de ligação de nucleotídeo (N) e o domínio de fosforilação (P). As α-hélices são mostradas em tons de cinza-escuro e cinza, folhas β são mostradas em tons escuros e claros e espirais são mostradas em cinza.Reproduzido com permissão de Kaplan, J. H. Biochemistry of Na, K-ATPase. Annu. Rev. Biochem. 71:511, Direitos autorais (2002) Annual Reviews; url

28 FIGURA 12.51Modelo para translocação de Na+ e K+ através da membrana plasmática pela ATPase trocadora de Na+/K+. (1) Transportador na conformação 1 capta Na+. (2) Transportador na conformação 2 transloca e libera Na+. (3) Transportador na conformação 2 capta K+. (4) Transportador na conformação 1 transloca e libera K+. Todas as etapas não mostradas (ver Figura 12.50). FIGURA 12.53Estrutura da ATPase transportadora de Ca2+. Mudanças conformacionais da ATPase transportadora de Ca2+ do retículo sarcoplasmático. Pontos de entrada e saída de Ca2+ são indicados pelas setas escuras. Figura à esquerda é com Ca2+ ligado, e figura à direita é sem Ca2+.Reproduzido com permissão de Toyoshima, C. e Inesi, G. Structural basis of ion pumping by Ca2+-ATPase of the sarcoplasmic reticulum. Annu. Rev. Biochem. 73:269, Direitos autorais (2004) Annual Reviews;

29 FIGURA 12. 55Sítio de ligação de Ca2+ na calmodulina
FIGURA 12.55Sítio de ligação de Ca2+ na calmodulina. Calmodulina tem quatro sítios de ligação de Ca2+, cada um com um motivo hélice-alça-hélice. Íon Ca2+ liga-se à alça que conecta duas hélices. Esse motivo ocorre em várias proteínas que ligam Ca2+ e é conhecido como a mão EF.

30 FIGURA 12.56Modelo de uma glicoproteína-P, um transportador com cassete de ligação a ATP (ABC). NBD-1 e NBD-2 são domínios de ligação a nucleotídeo.

31 FIGURA 12.57Diagrama esquemático do regulador de condutância transmembrânica da fibrose cística (CFTR), um membro da família de transportadores ABC. NBD-1 e NBD-2 são subunidades que se ligam a ATP, e R é uma subunidade regulatória. F508 é o sítio de deleção de fenilalanina, que ocorre em cerca de 70% dos pacientes com fibrose cística.Redesenhado com base em uma figura de Ko, Y. H. e Pedersen, P. L. Frontiers in research on cystic fibrosis: Understanding its molecular and chemical basis and relationship to the pathogenesis of the disease. Bioenerg. Biomemb. 29:417, 1997. FIGURA 12.58Transporte simporte Na+-dependente de glicose através da membrana plasmática.

32 FIGURA 12.61Mecanismo proposto para atividades ionoforéticas de valinomicina e nigericina. (a) Transporte por valinomicina; (b) Transporte por nigericina. I representa ionóforo. O complexo valinomicina-K+ é carregado positivamente e translocação de K+ é eletrogênica, levando à criação de uma separação de cargas através da membrana. Nigericina transloca K+ em troca de um H+ através da membrana, e o mecanismo é eletricamente neutro.Diagrama adaptado de Pressman, B. C. Annu. Rev. Biochem. 45:501, 1976. FIGURA 12.62Ação da gramicidina A. Duas moléculas de gramicidina A formam um dímero com pontes de hidrogênio nas extremidades amino-terminais dos peptídeos, criando um canal na membrana.