Aula13_LipideosMembranas

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Lipídeos e Membranas
Delimitação das células
• Células são delimitadas por membranas 
biológicas, que impedem o vazamento de 
moléculas geradas internamente ou que 
moléculas indesejadas se difundam para 
dentro.
• Além disso, elas possuem sistemas de 
transporte para captar moléculas desejadas e 
remover as indesejadas – é a propriedade de 
permeabilidade seletiva.
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Membranas celulares
• As membranas celulares são formadas 
principalmente de lipídeos, mas há circulação 
de grandes variedades de proteínas.
• A parte lipídica da camada forma uma barreira 
de permeabilidade, enquanto as proteínas 
formam sistemas de transporte e sinalização.
• Eucariotos possuem também membranas 
internas para delimitar organelas, como 
mitocôndrias ou cloroplastos.
Propriedades das membranas
• Membranas são estruturas laminares, com 
espessura entre 60Å e 100Å.
• A relação de massas lipídeos/proteínas vai de 
1:4 até 4:1. Glicídeos também estão 
presentes, ligados a eles.
• Lipídeos de membranas têm uma porção 
hidrófila e outra hidrófoba, formando 
espontaneamente lâminas bimoleculares
fechadas em meio aquoso, que barram o fluxo 
de moléculas polares.
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Propriedades das membranas
• Proteínas específicas em membranas podem 
funcionar como bombas, canais, receptores, 
transformadores de energia e enzimas.
• Membranas são montagens não covalentes, 
resultando de muitas interações cooperativas.
• Membranas são assimétricas (as duas faces 
sempre diferem uma da outra).
Propriedades das membranas
• Membranas são fluidas, com alta difusão das 
moléculas de lipídeos e proteína, mas a sua 
inversão não é frequente.
• A maioria das membranas têm polaridade 
elétrica, com o lado interno negativo (~60mV).
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Ácidos graxos
• Longas cadeias hidrocarbonadas, com 
diferentes comprimentos e graus de 
insaturação, com terminação em carboxila 
(grupamento ácido).
• Seu nome é derivado do nome do 
hidrocarboneto correspondente substituindo 
o o final por óico (octadecano � ácido 
octadecanóico)
Variações de ácidos graxos
• Em sistemas biológicos, comumente os ácidos 
graxos contém um número par de carbonos, 
geralmente entre 14 e 24 (mais comuns entre 
16 e 18), quase invariavelmente sem 
ramificações em animais.
• Eles podem ter a cadeia alquílica saturada ou 
com duas ou mais ligações duplas, com os 
insaturados tendo pontos de fusão mais baixo.
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Lipídeos de membrana
• Por definição, lipídeos são biomoléculas 
insolúveis em água mas muito solúveis em 
solventes orgânicos.
• Os lipídeos de membrana estão presentes em 
três principais classes: fosfolipídeos, 
glicolipídeos e colesterol.
• Há algumas diferenças entre os lipídeos 
encontrados em eucariotos e bactérias em 
relação aos de archaea.
Fosfolipídeos
• São abundantes em todas as proteínas 
biológicas.
• São compostos de uma plataforma (glicerol ou 
esfingosina) ligados a um ou mais ácidos 
graxos e um fosfato ligado a um álcool. No 
caso dos fosfoglicerídeos (glicerol como 
plataforma), há sempre dois ácidos graxos).
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Glicolipídeos
• Lipídeos podem se ligar a glicídeos, formando 
glicolipídeos.
• Podem ser formadas apenas pela ligação de 
uma ose ou conter cadeias longas e 
ramificadas.
Colesterol
• O colesterol tem estrutura diversa dos 
fosfolipídeos, sendo um esteróide (molécula 
com um arranjo específico de quatro 
cicloalcanos fusionados).
• Em membranas, eles se orientam 
paralelamente às cadeias de ácidos graxos dos 
fosfolipídeos.
• Ausente em procariontes, ele é 
encontrado em praticamente todas 
as membranas de animais.
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Anfipaticidade
• Há enorme variedade de lipídeos de 
membrana, mas eles são sempre anfipáticas, 
contendo uma porção hidrófila e outra 
hidrófoba.
• Essa propriedade favorece a formação de 
espontânea de membranas ou micelas (como 
visto no capítulo 1).
Membranas e micelas
• A maior parte dos fosfolipídeos e glicolipídeos
tendem a formar lâminas bimoleculares, pois 
suas cadeias são muito volumosas para se 
adaptar no interior de uma micela.
• Já os sais de ácidos graxos, com uma só 
cadeia, tendem a formar micelas 
espontaneamente.
• A formação espontânea destas estruturas é 
chamada de processo de automontagem.
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Fatores para a automontagem
• Interações hidrófobas (moléculas de água são 
liberadas das caudas hidrocarbonadas).
• Forças atrativas de van der Waals (entre as 
caudas compactadas).
• Atrações eletrostáticas e pontes de hidrogênio 
(entre as cabeças polares e moléculas de 
água).
Conseqüências biológicas
• Bicamadas tendem a serem amplas.
• Bicamadas tendem a fechar-se para evitar 
bordas com cadeias hidrocarbonadas
expostas, formando compartimentos.
• Bicamadas lipídicas são auto-selantes (a 
formação de um orifício é energeticamente 
desfavorável).
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Lipossomos
• Como fosfolipídeos têm propensão a 
formar membranas, tem-se usado 
comumente as vesículas lipídicas ou 
lipossomos para estudos 
experimentais em ciência básica ou 
aplicada.
Uso clínico de lipossomos
• Lipossomos podem ser usados como 
transporte de DNA para terapia gênica, poise
se fundem com a membrana citoplasmática 
de várias células, introduzindo o material 
encapsulado.
• A distribuição de medicamentos por 
lipossomos freqüentemente diminui sua 
toxidez, pois eles se concentram em regiões 
de circulação sangüínea aumentada, como 
tumores sólidos e locais de inflamação.
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Permeabilidade
• Experimentos indicam que membranas de 
bicamada lipídica têm baixa permeabilidade 
para íons e para a maioria das moléculas 
polares, com exceção da água (devido ao seu 
pequeno tamanho, alta concentração e falta 
de carga completa).
• O processo consiste em livrar-se da camada de 
solvatação, dissolver-se no cerne 
hidrocarbonado, difundir-se para o outro lado 
e ser ressolvatada, o que em geral é 
energeticamente desfavorável.
Proteínas de membrana
• Enquanto os lipídeos formam uma barreira de 
permeabilidade, praticamente todas as outras 
funções das membranas são exercidas por 
proteínas.
• Em geral, membranas que executam funções 
diferentes contém conjuntos diferentes de 
proteínas.
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Associação de proteínas a 
membranas
• Algumas proteínas (chamadas periféricas) 
podem ser isoladas mais facilmente de 
membranas, enquanto outras (chamadas 
integradas) estão muito fixas devido à 
interação direta com a região hidrocarbonada
da membrana.
• Estas últimas necessitam de 
fortes solventes orgânicos 
para sua retirada.
Proteínas de membrana
• Proteínas de membranas são mais difíceis de 
serem purificadas e cristalizadas.
• Ainda assim, existem estruturas disponíveis 
(por cristalografia de raios-x ou microscopia 
eletrônica) de mais de cem destas proteínas, 
algumas com resolução suficiente para 
visualização de detalhes moleculares.
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Proteínas de membrana
• Proteínas podem atravessar a 
membrana através de hélices.
• Na bacteriorrodopsina, 
mostrada ao lado, a maior 
parte dos aminoácidos são 
apolares.
• Em alguns casos, hélices 
transmembranares podem 
ser detectadas pela 
seqüência.
Proteínas de membrana
• Proteínas de canal podem ser 
formadas também por fitas.
• A disposição destas fitas 
formam um cilindro oco, que 
permite a passagem de 
moléculas. Um interior 
hidrofílico pode surgir pela 
alternância de aminoácidos 
polares e apolares.
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Proteínas de membrana
• Finalmente, algumas proteínas podem ter 
regiões que adentram apenas parcialmente na 
bicamada lipídica, mas ligam-se de forma 
suficientemente forte para serem 
consideradas proteínas integradas.
Prostaglandina H2 sintase-1
Proteínas de membrana
• Outra forma de ligação se dá através de 
grupamentos hidrofóbicos ligados 
covalentemente à proteína
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Previsão de hélices transmembranares
• Pode-se avaliar se um 
segmento de hélices é 
maisestável em meio 
hidrocarbonado ou em 
água.
• Usando os valores 
tabelados para a energia 
de transferência entre os 
meios, pode-se avaliar se 
uma seqüência é 
compatível com uma 
hélice de membrana.
Gráficos de hidropatia
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Difusão em membranas
• Membranas biológicas não são rígidas – os 
lipídeos e muitas proteínas de membranas 
estão constantemente se movimentando 
lateralmente, no processo chamado de 
difusão lateral, que pode ser acompanhado 
experimentalmente.
• A distância média S atravessada no tempo t
depende do coeficiente de difusão (D) 
segundo a expressão S=(4Dt)1/2
• D costuma ser em torno de 1μm2/s para 
lipídeos em membranas.
Difusão em membranas
• Proteínas por sua vez podem ter alta variação 
em sua mobilidade lateral – algumas são 
quase tão móveis quanto os lipídeos, 
enquanto outras são praticamente imóveis.
• Como exemplos, a rodopsina tem coeficiente 
de difusão de 0.4μm2/s, enquanto a 
fibronectina tem D menor que 10-4μm2/s
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Mosaico fluido
• Devido a esta mobilidade discutida 
anteriormente, as membranas foram descritas 
como mosaicos fluidos (Singer & Nicolson, 
1972). Neste modelo, as membranas são 
“soluções bidimensionais”, em que as 
proteínas podem se difundir 
lateralmente até o limite das 
restrições por interações.
• O modelo não considera a 
rotação através da membrana
Flip-flop
• Embora seja um processo lento, 
a rotação espontânea de 
lipídeos de uma face da 
membrana para a outra pode 
ocorrer.
• Este processo é chamado de 
difusão transversa ou flip-flop, e 
também é confirmado 
experimentalmente.
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Flip-flop
• Uma molécula de fosfolipídeo faz difusão 
transversa apenas uma vez em várias horas, 
demorando portanto 109 vezes mais para fazer 
o flip-flop que se difundir por 50Å.
• No caso das proteínas de membranas, as 
barreiras de energia são ainda maiores, pois 
elas tem regiões polares mais amplas. A 
difusão transversa de proteínas de membrana 
nunca foi observada.
• Isso garante a preservação da assimetria das 
membranas.
Fluidez das membranas
• A fluidez das membranas, que influi em 
processos como transporte e transmissão de 
sinais, depende da composição em ácidos 
graxos e conteúdo de colesterol.
• Ácidos graxos saturados favorecem o estado 
rígido.
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Controle da fluidez
• Bactérias controlam a fluidez de suas 
membranas variando o número de ligações 
duplas e comprimento da cadeia dos ácidos 
graxos.
• Em animais, ela é controlada principalmente 
pelo colesterol, que por ser muito diferente 
dos fosfolipídeos perturba as interações 
regulares.
Assimetria das membranas
• As membranas são estrutural e 
funcionalmente assimétricas.
• Como exemplo, a bomba de sódio e potássio é 
orientada de forma a bombear Na+ para fora e 
K+ para dentro da célula.
• O ATP precisa estar dentro da célula para 
acionar a bomba, enquanto seu inibidor 
(ouabaína) só funciona quando no exterior da 
célula.
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Outras membranas
• Algumas bactérias, como a E. coli, possui duas 
membranas separadas por uma parede celular 
(composta de proteínas, peptídeos e 
glicídeos). A região entre as duas membranas 
é chamada de periplasma.
• Nos eucariotos, há só uma bicamada lipídica, 
mas há outras membranas formando 
organelas, como mitocôndrias (síntese de 
ATP), peroxissomos (oxidação de ácidos 
graxos) ou o próprio núcleo.
Outras membranas
• Há várias evidências de que as mitocôndrias 
evoluíram de bactérias por endossimbiose.
• Há também membranas adicionais em 
processos como a endocitose, em que 
proteínas forçam a geração de vesículas.