Resumo estrutura da membrana - Alberts

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Biologia Celular 
Estrutura da membrana 
(Bruna Botelho) 
 
A membrana plasmática circunda a célula, define seus limites e 
mantém as diferenças essenciais entre o citosol e o ambiente 
extracelular. É uma estrutura dinâmica, fluida e a maioria de 
suas moléculas move-se no plano da membrana. Nas células 
eucarióticas, circunda organelas internas como núcleo, retículo 
endoplasmático, aparelho de Golgi e mitocôndria, mantendo as 
diferenças características entre o conteúdo de cada organela e 
o citosol. Todas as membranas biológicas possuem uma 
estrutura geral comum, uma fina película de moléculas de 
lipídeos e proteínas unidas por interações não covalentes e 
tais moléculas lipídicas são organizadas em uma dupla 
camada contínua de cera de 5nm de espessura conhecida 
como bicamada lipídica. 
Bicamada lipídica 
A bicamada lipídica forma a estrutura básica de todas as 
membranas celulares e é facilmente observada por 
microscopia eletrônica. 
1. Principais lipídeos das membranas celulares. 
Os lipídeos mais abundantes a membrana são os 
FOSFOLIPÍDEOS. 
 Possuem um grupamento da cabeça polar contendo 
um grupo fosfato e duas caudas hidrocarbonadas 
hidrofóbicas. 
 As caudas normalmente são ácidos graxos e podem 
diferir em cumprimento, contêm entre 14 e 24 
átomos de carbono. 
 Geralmente, uma cauda possui uma ou mais 
ligações duplas cis-atuantes (insaturada), enquanto 
a outra cauda não possui essa ligação (saturada). 
Cada ligação dupla cis-atuante cria uma pequena 
dobra. 
 As diferenças no comprimento e na saturação das 
caudas e dos ácidos graxos influenciam na fluidez da 
membrana. 
 
 
Os principais fosfolipídeos da maioria das membranas das 
células animais são FOSFOGLICERÍDEOS. 
 Possuem uma cadeia principal de glicerol de três 
carbonos. 
 Duas cadeias de ácidos graxos são unidas por 
pontes ésteres aos átomos de carbono adjacentes 
ao glicerol. 
 O terceiro átomo de carbono do glicerol está ligado a 
um grupo fosfato que é ligado a um entre vários tipos 
de grupamento de cabeças. 
 A FOSFATIDILETANOLAMINA, a 
FOSFATILDISERINA e a FOSFATILDILCOLINA são 
os mais abundantes fosfoglicerídeos das membranas 
das células de mamíferos. 
Outra classe de fosfolipídeos são os ESFINGOLIPÍDEOS. 
 São constituídos por ESFINGOSINA no lugar do 
glicerol. 
 Na ESFINGOMIELINA, uma cauda de ácido graxo é 
ligada ao grupo amino e um grupo fosfocolina é 
ligado ao grupo hidroxila terminal. 
Além dos fosfolipídeos, a bicamada lipídica contém 
glicolipídeos e colesterol. As moléculas de colesterol orientam-
se na bicamada com seu grupo hidroxila próximo aos 
grupamentos de cabeças polares das moléculas de 
fosfolipídeos adjacentes. 
 
 
2. Os fosfolipídeos formam bicamadas 
espontaneamente 
A forma e a natureza anfifílica das moléculas de fosfolipídeos 
causam a formação de bicamadas de forma espontânea em 
ambientes aquosos. As moléculas hidrofóbicas são insolúveis 
em água porque todos, ou quase todos, os seus átomos são 
apolares e não carregados (-), portanto, não podem formar 
interações energeticamente favoráveis com as moléculas de 
água como as moléculas hidrofílicas. Com isso, se moléculas 
hidrofóbicas forem dispersas em água, irão forçar as moléculas 
de H2O adjacentes a se reorganizarem em estruturas 
semelhantes a gelo que envolvam as moléculas hidrofóbicas 
(óleo caindo na água e ela circundando o óleo), e estas irão se 
agregar espontaneamente escondendo sua cauda hidrofóbica 
no interior expondo apenas a cabeça hidrofílica para a água. 
 Caso a molécula tenha forma de cone, ao se 
reagrupar forma micelas esféricas comas caudas 
para dentro, ou se tenha forma de cilindro forma 
folhas de camadas duplas (bicamadas) com as 
caudas para o interior. 
 
 Propriedade de autosselamento: devido ao fato de 
serem energeticamente desfavoráveis, os lipídeos 
tendem a se rearranjarem espontaneamente para 
eliminar a borda livre (caso tenha fenda). A estrutura 
torna-se estável por ser fechada evitando a 
exposição da cauda. 
 
 
3. Fluido bidimensional 
 A membrana se comporta como um líquido bidimensional 
permitindo que as moléculas se movam e troquem de lugar 
umas com as outras no plano da bicamada. 
 As moléculas de fosfolipídeos raramente migram de 
um lado para outro na monocamada, esse processo 
é denominado de flip-flop. 
 Moléculas de lipídeos podem trocar de lugar 
continuamente com seus vizinhos dentro de uma 
monocamada quando há agitação térmica. 
 Moléculas lipídicas giram rapidamente ao redor de 
seu eixo maior e suas cadeias de hidrocarbonos são 
flexíveis. 
 
 
4. A fluidez de uma bicamada lipídica depende de sua 
composição 
A fluidez da bicamada lipídica depende de sua composição e 
de sua temperatura. 
 Uma cadeia curta reduz a tendência das caudas 
hidrocarbonadas de interagirem umas com as outras 
na mesma monocamada ou em camadas opostas. 
 As ligações duplas cis-atuantes produzem torções 
nas cadeias que as tornam mais difíceis de se 
agruparem (a membrana se torna mais fluida a 
baixas temperaturas). 
 O colesterol, quando misturado com fosfolipídeos, 
aumenta a propriedade de barreira permeável da 
bicamada lipídica. Insere-se na bicamada com o 
grupo hidroxila próximo as cabeças polares dos 
fosfoliípdeos, de modo que seus rígidos anéis 
esteroides interajam e parcialmente imobilizem 
aquelas regiões de hidrocarbonos próximas aos 
agrupamentos de cabeças polares. 
 
5. As bicamadas podem formar domínios de 
composições distintas 
Embora, geralmente, a bicamada seja distribuída de maneira 
uniforme, raramente é observado a segregação da fase lipídica 
em domínios especializados denominados balsas lipídicas. 
Concentração de colesterol, esfingolipídeos, proteínas 
transmembranas, glicolipídeos e proteínas ancoradas 
glicosilfosfatidilinositol. 
 
6. Gotas lipídicas 
Gotas lipídicas são excesso de lipídeos armazenados pelas 
células para serem usados como matéria-prima para a síntese 
membranas ou como uma fonte de alimento, armazenam 
lipídeos neutros como triacilglicerídeos e ésteres de colesterol 
(sintetizados de ácidos graxos e colesterol por enzimas na 
membrana do RE), são circundadas por uma única camada de 
fosfolipídeos, a qual contém uma grande variedade de 
proteínas, e se formam rapidamente quando as células são 
expostas a altas concentrações de ácidos graxos. Preenchem 
quase todo o citoplasma dos adipócitos e possuem 
grupamentos de cabeças hidrofílicas. 
 
7. Assimetria da bicamada lipídica 
As composições de lipídeos nas duas monocamadas da 
bicamada lipídica de muitas membranas são 
surpreendentemente distintas e funcionalmente importantes, 
em especial na conversão de sinais extracelulares em sinais 
intracelulares. 
 Ex.: na membrana dos eritrócitos quase todas as 
moléculas de fosfolipídeos que possuem colina em 
seu grupamento de cabeça (fosfatidilcolina e 
esfingoimielina) estão na monocamada externa, 
enquanto quase todas que contêm um grupo amino 
terminal (fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina) 
estão na monocamada interna. 
 Há uma significativa diferença nas cargas entre as 
duas metades da bicamada, porque a 
fosfatidilserina, negativamente carregada (-), está 
localizada na monocamada interna. 
 
 A enzima PROTEÍNA-CINASE C (PKC), que é 
ativada em respostas a vários sinais extracelulares, 
liga-se à porção citoplasmática onde a 
fosfatidilserina está concentrada e requer esse 
fosfolipídeo negativamente carregado para realizar 
as suas atividades. 
 Grupamentos de cabeças lipídicas primeiramente 
devem ser modificados para criar sítios de ligação de 
proteínas em regiões e em momentos determinados. 
Ex.: FOSFOTIDILINOSITOL (PI), fosfolipídeo 
secundário que está na monocamada citosólica. 
 Várias cinases lipídicas podem adicionar grupos 
fosfatos em posições distintas no anel inositol, 
criandosítios de ligação que recrutam proteínas 
específicas do citosol para a membrana. Ex.: A 
FOSFOINOSITÍDEO 3-CINASE (PI 3-CINASE) é 
ativada em resposta a sinais extracelulares e auxilia 
no recrutamento de proteínas sinalizadoras 
intracelulares para a porção citosólica da membrana. 
 Os fosfolipídeos da membrana também são usados 
para converter sinais extracelulares em 
intracelulares. 
 As FOSFOLIPASES (enzimas), contidas na 
membrana, são ativadas por sinais extracelulares 
para clivar moléculas fosfolipídicas específicas, 
gerando fragmentos dessas moléculas que atuam 
como mediadores celulares de vida curta. Ex.: a 
FOSFOLIPASE C cliva o fosfolipídeo inositol da 
monocamada citosólica para gerar dois fragmentos, 
um dos quais permanece da membrana e auxilia a 
ativação da PKC, enquanto o outro é liberado para o 
citosol e estimula a liberação da CA²+ do RE. 
 Ex.: os fosfolipídeos das membranas também 
servem para distinguir entre células vivas e células 
mortas. Quando uma célula sofre apoptose a 
fosfatidilserina rapidamente se transloca para a 
monocamada extracelular, sinalizando para as 
células vizinhas, como os macrófagos, para fagocitar 
e digerir a célula morta. -> Essa translocação pode 
ocorrer por conta da inativação do translocador do 
fosfolipídeo ou pela ativação da SCRAMBLASE. 
 
8. Glicolipídeos 
São as moléculas lipídicas que contém açúcar, seja na 
membrana plasmática ou nas membranas intracelulares, são 
encontradas exclusivamente na monocamada mais distante do 
citosol. Nas células animais, elas são constituídas de 
esfingosina. A distribuição assimétrica na bicamada é resultado 
da dição de grupos de açúcares às moléculas lipídicas no 
lúmen do aparelho de Golgi. Assim que são liberados na 
membrana, os grupos de açúcares são expostos na superfície 
celular onde desempenham importantes papéis nas interações 
da célula com suas vizinhas. 
 Os GANGLIOSÍDEOS (o mais complexo dos 
glicolipídeos) contém oligossacarídeos com uma ou 
mais porção de ácido siálico, que confere uma carga 
negativa aos gangliosídeos. 
A função dos glicolipídeos provém de sua localização. 
 Na membrana das células epiteliais, os glicolipídeos 
estão confinados na superfície apical exposta onde 
podem auxiliar a proteger a membrana contra as 
graves condições ali encontradas (baixo pH e altas 
concentrações de enzimas degradantes). 
 Os glicolipídeos carregados, como os gangliosídeos, 
podem ser importantes devido aos seus efeitos 
elétricos. Sua presença altera o campo elétrico 
através da membrana e a concentração de íons na 
superfície da membrana. 
 Também atuam nos processos de reconhecimento 
celular, nos quais as proteínas ligadoras de 
carboidratos ligadas à membrana (LECTINAS) se 
ligam aos grupos de glicolipídeos e glicoproteínas no 
processo de adesão célula-célula. 
 Algumas são a porta de entrada para determinadas 
toxinas bacteriana e vírus. Ex.: o gangliosídeo Gm1 
atua como um receptor de superfície celular para a 
toxina bacteriana da cólera. 
 
Proteínas de membrana 
As proteínas de membrana desempenham a maioria das 
funções específicas da membrana, fornecem a cada tipo de 
membrana suas características e propriedades funcionais e 
variam amplamente em estrutura e no modo como se 
associam com a bicamada lipídica, refletindo suas funções 
distintas. 
 
1. Associação à bicamada lipídica 
As proteínas de membrana são anfifílicas. 
 Muitas proteínas de membrana atravessam a 
bicamada lipídica e, portanto, são denominadas 
proteínas transmembrana. Suas regiões hidrofóbicas 
passam pela membrana e interagem com as caudas 
hidrofóbicas das moléculas lipídicas e suas regiões 
hidrofílicas são expostas à água nos dois lados 
membrana. 
 Algumas estão localizadas inteiramente no citosol e 
estão anexadas a monocamada citosólica da 
bicamada, tanto por uma α-hélice anfifílica exposta 
na superfície da proteína quanto por uma ou mais 
cadeias lipídicas covalentemente ligadas. 
 Outras estão totalmente expostas na superfície 
externa da célula, ligada à bicamada somente por 
uma ligação covalente (por meio de um 
oligossacarídeo específico) a um lipídeo de 
ancoragem na monocamada externa. 
 As proteínas associadas à membrana (proteínas 
periféricas de membrana) não se estendem para o 
interior hidrofóbico da bicamada, elas ficam ligadas a 
uma das faces da membrana por meio de interações 
não covalentes com outras proteínas de membrana, 
podem ser liberadas da membrana por 
procedimentos de extração suaves. 
 
2. As âncoras lipídicas controlam a localização de 
algumas proteínas de sinalização na membrana 
O modo como às proteínas de membrana estão associadas à 
bicamada lipídica reflete a função da proteína. 
 Somente as proteínas transmembranas podem 
atuar nos dois lados da bicamada ou transportar 
moléculas através dela. Ex.: os receptores de 
superfície celular que ligam moléculas sinalizadoras 
do espaço extracelular e geram sinais intracelulares 
diferentes do lado oposto da membrana. 
 Proteínas que atuam em um único lado da bicamada 
com frequência estão associadas exclusivamente a 
um dos lados da monocamada lipídica ou a um 
domínio da proteína daquele lado. Ex.: proteínas de 
sinalização intracelular. 
 Muitas proteínas se ligam temporariamente à 
membrana, são as clássicas proteínas periféricas de 
membrana que se associam às membranas por meio 
de interações reguladas proteína-proteína. 
 Outras passam por uma transição de proteína 
solúvel para proteína de membrana por meio de uma 
alteração conformacional que expõe um peptídeo 
hidrofóbico ou lipídeo de ancoragem covalentemente 
ligado. 
 
3. A cadeia polipeptídica cruza a bicamada em uma 
conformação de α-hélice. 
 As cadeias polipeptídicas atravessam a bicamada, 
comunicando com o ambiente hidrofóbico da 
membrana, e são compostos principalmente por 
aminoácidos com cadeias laterais apolares. 
 As ligações de hidrogênio entre as ligações 
peptídicas são maximizadas se a cadeia 
polipeptídica formar uma α-hélice irregular na região 
que cruza a bicamada (assim que essas cadeias 
conseguem atravessar a bicamada). 
 Nas proteínas transmembrana de passagem única, a 
cadeia polipeptídica cruza apenas uma vez, 
enquanto nas transmembranas de passagem 
múltipla, a cadeia cruza a membrana várias vezes. 
 As transmembranas de passagem múltipla possuem 
regiões que não entram em contato com as regiões 
hidrofóbicas da membrana, o que permite a 
passagem de água. 
 
4. Interação entre as α-hélices. 
 As α-hélices não servem apenas para ancorar a proteína 
à bicamada, elas também formam mono ou heterodímero, 
contém informação para coordenar a interação proteína-
proteína durante o enovelamento e as hélices 
transmembranas protegem as hélices transmembranas 
vizinhas dos lipídeos durante o enovelamento. 
 
 
5. Barris β 
 São proteínas de passagem múltipla pela 
membrana que formam uma estrutura rígida 
possuindo entre 8 e 22 fitas. 
 Nem todas as proteínas de barril β são proteínas de 
transporte, podendo atuar como receptores ou 
enzimas, onde o barril atua como uma âncora rígida. 
 São abundantes na membrana externa das 
bactérias, mitocôndrias e cloroplastos. 
 Algumas são proteína formadoras de poros, os quais 
criam canais cheios de água permitindo que 
pequenas moléculas hidrofílicas selecionadas 
atravessem a membrana. 
 As cadeias laterais de aminoácidos polares revestem 
o canal aquoso na região interna, enquanto as 
cadeias laterais apolares projetam-se para o exterior 
do barril para interagirem com o centro hidrofóbico 
da bicamada. 
 Algumas porinas são altamente seletivas. Ex.: a 
MALTOPORINA, preferencialmente, permite que a 
maltose ou os oligômeros de maltose atravessem a 
membrana externa da E. coli. 
 Ex. De proteína de transporte de barrilβ: PROTEÍNA 
FepA , transporta íons de ferro através da membrana 
externa bacteriana, é formada por 22 fitas β. 
 
 
 
6. Proteínas de membrana glicosiladas. 
 A camada de carboidratos é formada pelas cadeias 
laterais dos oligossacarídeos dos glicolipídeos e das 
glicoproteínas de membrana e das cadeias de 
polissacarídeos dos proteoglicanos da membrana, estão 
sempre na parte externa da membrana porque assim 
como nos glicolipídeos, os resíduos de açúcar são 
adicionados no lúmen do RE e no aparelho de Golgi. 
 
 
 São covalentemente ligadas às proteínas da 
membrana (glicoproteínas), aos lipídeos 
(glicolipídeos) e também ocorrem como cadeias de 
polissacarídeos das moléculas de proteoglicanos 
integrais de membrana. 
 A zona da superfície celular rica em carboidratos 
pode ser descrita pelos termos glicocálice ou 
revestimento celular. 
 Uma das muitas funções da camada de carboidrato 
é proteger a célula contra danos químicos ou 
mecânicos e manter outras células a distância, 
prevenindo interações indesejáveis célula-célula. 
 Embora normalmente as cadeias laterais contenham 
menos de 15 açúcares, as cadeias são 
frequentemente ramificadas, e os açúcares podem 
ser unidos por vários tipos de ligações covalentes, 
essa diversidade e posição dos oligossacarídeos 
expostos na superfície celular os tronam adequados 
para atuar no processo de reconhecimento celular. 
 As lectinas ligadas à membrana medeiam diversos 
processos temporários de adesão célula-célula, 
incluindo aqueles que ocorrem nas repostas 
inflamatórias e recirculação dos linfócitos. 
 
7. Relação entre proteínas de membrana e detergente. 
 Somente os agentes que rompem as associações 
hidrofóbicas e destroem a bicamada lipídica podem 
solubilizar proteínas de membrana, os agentes mais 
úteis entre eles são os detergentes. 
 O detergente rompe a bicamada e solubiliza as 
proteínas como complexos detergente-lipídeo-
proteína. Os fosfolipídeos também são solubilizados 
pelo detergente, como as micelas detergente-lipídeo. 
 
 Muitas proteínas de membrana podem ser 
solubilizadas e então purificadas em uma forma ativa 
pelo uso de detergentes brandos. Esses detergentes 
cobrem as regiões hidrofóbicas nos segmentos que 
atravessam a membrana que se tornam expostos 
após a remoção dos lipídeos, mas não desenovelam 
as proteínas. 
 As proteínas de membrana também podem ser 
reconstituídas a partir de detergentes em solução em 
nanodiscos. 
 
8. Bacteriorrodopsina. 
 A BACTERIORRODOPSINA foi a primeira proteína 
de transporte de membrana cuja estrutura foi 
determinada. Está presente na membrana da 
arqueia Halobacterium salinarum. 
 A proteína atua como uma bomba de H+ ativada 
pela luz que transfere H+ para fora da célula da 
arqueia. 
 A transferência de prótons estimulada pela luz 
estabelece um gradiente H+ através da membrana 
plasmática que, por sua vez, estimula a produção de 
ATP por uma segunda proteína da membrana 
plasmática da célula. Assim, a bacteriorrodopsina 
converte a energia solar em um gradiente de 
prótons, o qual fornece energia para a arqueia. 
 Cada molécula de bacteriorrodopsina é enovelada 
em sete α-hélice transmembranas bastante próximas 
e contém um único grupo de absorção de luz, ou 
cromóforo (neste caso o retinal), que confere a cor 
púrpura à proteína. 
 Se organizam em grandes cristais bidimensionais 
nos quais as moléculas de proteínas individuais 
estão relativamente fixas umas às outras. 
 
9. Muitas proteínas de membrana difundem-se no 
plano da membrana. 
 As proteínas de membrana não saltam, como os 
lipídeos, através da bicamada lipídica, mas giram 
sobre um eixo perpendicular ao plano da bicamada 
(difusão lateral). 
 Também são capazes de se mover lateralmente 
dentro da membrana (difusão lateral). 
 As taxas de difusão lateral das proteínas de 
membrana podem ser medidas utilizando-se a 
técnica de recuperação da fluorescência após 
fotoclareamento (marcação da proteína de 
membrana de interesse com um grupamento 
fluorescente específico). 
 
10. As células podem confinar proteínas e lipídeos em 
domínios específicos em uma membrana. 
A maioria das células confinam as proteínas de 
membrana em regiões específicas na bicamada lipídica 
contínua. 
 Ex.: em células epiteliais, como aquelas que 
revestem o intestino ou os túbulos renais, 
determinadas enzimas e proteínas de transporte da 
membrana estão confinadas na superfície apical da 
célula, enquanto outras estão confinadas na 
superfície lateral e basal. 
 As células epiteliais também podem impedir a 
difusão de lipídeos e de moléculas de proteínas 
entre os domínios. 
 Uma célula pode criar domínios de membrana sem 
usar junções intercelulares ou formar barreiras por 
algum tipo de junção (como a junção compacta). 
 Há quatro maneiras de restringir a mobilidade lateral 
de proteínas específicas da membrana: as proteínas 
podem se auto organizar em grandes agregados, 
elas podem ser presas por interações com grupos de 
macromoléculas de dentro ou de fora, ou podem 
interagir com as proteínas de superfície celular de 
outra célula. 
 Ex.: a membrana plasmática das células nervosas 
contém um domínio que circunda o corpo celular e 
os dendritos, e outro que circunda o axônio. 
 Ex.: a membrana contínua do espermatozoide é 
dividida em três domínios distintos. 
 
11. O citoesqueleto cortical proporciona força mecânica 
e restringe a difusão das proteínas de membrana. 
Uma maneira comum pela qual a célula restringe a 
mobilidade lateral de proteínas de membrana é prendê-
las a grupos de moléculas dos dois lados da membrana. 
 Ex.: a forma bicôncava característica dos eritrócitos 
é resultante das interações entre as proteínas da 
membrana plasmática com o citoesqueleto 
adjacente, o qual consiste, principalmente, em uma 
rede de proteína filamentosa, a ESPECTRINA. O 
citoesqueleto de espectrina é fixado na membrana 
através de várias proteínas de membrana, o 
resultado é uma malha flexível em forma de rede que 
cobre toda a superfície da membrana do eritrócito. 
Esse citoesqueleto, composto basicamente por 
espectrina, permite que os eritrócitos suportem a 
pressão sobre a sua membrana quando passam 
através de capilares muitos finos e a gravidade da 
anemia aumenta com o grau de deficiência dessa 
proteína. 
 
 Ex.: o córtex da célula (uma rede encontrada abaixo 
da membrana da maioria das células), é rica em 
filamentos de actina, os quais estão ligados à 
membrana plasmática de várias maneiras e a 
remodelagem da rede de actina cortical permite que 
a célula desempenhe muitas funções essenciais. 
 Como os filamentos do citoesqueletos estão 
frequentemente localizados próximos à porção 
citoplasmática da membrana, eles podem formar 
barreiras mecânicas que obstruem a livre difusão 
das proteínas na membrana. 
 Essas barreiras divide a membrana em pequenos 
domínios ou currais, os quais podem ser 
permanentes (como nos espermatozoides) ou 
transitórios. 
 O grau de restrição da proteína transmembrana a um 
curral depende de sua associação com outras 
proteínas e do tamanho de seu domínio 
citoplasmático. 
 
12. Forma da membrana 
 A forma da membrana é controlada de modo 
dinâmico. 
 As proteínas de curvatura de membrana são cruciais 
na produção dessas deformações que controlam a 
curvatura local da membrana. 
 A associação dinâmica das proteínas de curvatura 
da membrana com o citoesqueleto conferem suas 
características e formas tridimensionais.