Apresentação Membranas biológicas e de transporte

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CENTRO DE CIÊNCIAS DA NATUREZA
CURSO: CIÊNCIAS BIOLÓGICAS
DISCIPLINA: BIOQUÍMICA
Membranas Biológicas
Definem limites celulares.
Dividem células em compartimentos separados.
Organizam sequências de reações complexas.
Atuam na recepção de sinal e na transformação de energia.
Propriedades Físicas
 Flexível.
Autosselante.
Seletivamente permeável a solutos polares.
Por que essas propriedades são tão destacáveis?
Na superfície celular:
Transportadores movem solutos orgânicos e íons inorgânicos específicos através da membrana; 
Receptores captam sinais extracelulares e disparam mudanças moleculares na célula; 
Moléculas de adesão mantêm células vizinhas juntas.
 Dentro da célula:
As membranas organizam processos celulares como a síntese de lipídeos e certas proteínas.
 Transdução de energia na mitocôndria e nos cloroplastos. 
Composição e arquitetura das membranas.
	Cada tipo de membrana tem proteínas e lipídeos característicos . A proporção relativa varia de acordo com o tipo da membrana. Composição proteica reflete na especialização funcional. 
 São impermeáveis para a maioria dos solutos polares ou carregados, mas são permeáveis a compostos apolares.
Tem de 5 a 8 nm (50 a 80 Å) de espessura quando proteínas protuberantes em ambos os lado são incluídas e apresentam aparência trilaminar quando vistas em secção transversal em microscópio eletrônico.
	Todas as membranas biológicas compartilham algumas propriedades fundamentais.
Os fosfolipídeos -> bicamada lipídica : 
 Regiões apolares -> HIDROFÓBICAS 
 Grupos polares -> HIDROFÍLICAS
 As proteínas estão embebidas nessa lâmina da bicamada, mantidas por interações hidrofóbicas entre os lipídeos de membrana e os domínios hidrofóbicos nas proteínas. 
Algumas proteínas projetam-se apenas de um lado da membrana, enquanto outras expõem seus domínios em ambos os lados.
 A orientação das proteínas na bicamada é assimétrica, conferindo à membrana uma “lateralização”.
 As unidades lipídicas e proteicas individuais na membrana formam um mosaico fluido.
 A bicamada lipídica é o elemento estrutural básico das membranas.
	Os glicerofosfolipídeos, os esfingolipídeos e os esteróis são praticamente insolúveis em água.
	 Dependendo das condições exatas e da natureza dos lipídeos, três tipos de agregados de lipídeos podem ser formados quando lipídeos anfipáticos são misturados com água .
 Micelas
Bicamada
Vesícula
Tipos de proteínas de membrana.
Firmemente associadas à bicamada lipídica, removíveis apenas por agentes que interferem com reações hidrofóbicas, como detergentes, solventes orgânicos, ou agentes desnaturantes.
P. Integrais
P. Periféricas
P. Anfitrópicas
A topologia de uma proteína integral de membrana algumas vezes pode ser prevista a partir de sua sequência.
Poucas estruturas tridimensionais têm sido estabelecidas por cristalografia ou espectroscopia por RMN.
De 20 a 30% de todas as proteínas são proteínas integrais de membrana.
Hélices ou folhas .
Energia livre de transferência - índice de hidropatia.
O índice de hidropatia de uma sequência de aminoácidos é estimado pela soma das energias livres de transferência dos resíduos na sequência.
Janelas de 7 a 20 resíduos.
Uma região com mais de 20 resíduos com alto índice de hidropatia seria um segmento transmembrana.
Uma hélice hidrofóbica única para a glicoforina e sete segmentos transmembrana para a bacteriorrodopsina.
Proteínas integrais do tipo III ou IV.
Presença de resíduos de Tyr e Trp na interface entre lipídeo e água.
Regra do positivo-dentro: os resíduos positivamente carregados de Lys, His e Arg das proteínas de membrana ocorrem mais comumente na face citoplasmática das membranas.
Barril - permite todas as ligações de hidrogênio e é comum entre as proteínas de membrana.
Os mesmos fatores que favorecem a formação de hélices no interior hidrofóbico da bicamada lipídica também estabilizam os barris .
Apenas sete a nove resíduos da conformação são necessários para atravessar a membrana.
Lipídeos ligados covalentemente ancoram algumas proteínas de membrana
Ácidos graxos de cadeia longa, isoprenoides, esteróis ou derivados glicosilados do fosfatidilinositol .
A associação dessas proteínas ligadas a lipídeos com a membrana é mais fraca do que a das proteínas integrais de membrana.
Alguns tipos de proteínas ligadas a lipídeos estão exclusivamente na face interna.
A ligação de um lipídeo específico a uma proteína de membrana recém- -sintetizada tem a função de orientar a proteína para sua localização correta na membrana.
Grupos acil no interior da bicamada estão ordenados em graus variáveis
Estado líquido ordenado (Lo) - Estado líquido desordenado (Ld ) .
Na transição do estado Lo para o estado Ld , a forma e as dimensões gerais da bicamada são mantidas; o que muda é o grau de movimento permitido às moléculas lipídicas individuais.
O conteúdo de esterol de uma membrana é outro determinante importante do estado do lipídeo. 
Esteróis apresentam efeitos paradoxais na fluidez da bicamada.
O colesterol tende a se associar com esfingolipídeos e formar regiões no estado Lo rodeado por regiões pobres em colesterol no estado Ld.
As células regulam sua composição lipídica para conseguir uma fluidez de membrana constante sob várias condições de crescimento.
Membranas de bactérias cultivadas em altas ou baixas temperaturas têm aproximadamente o mesmo grau de fluidez.
O movimento de lipídeos transbicamada requer catálise
Difusão transbicamada ou movimento de ponta-cabeça - flip-flop
O movimento transbicamada requer que um grupo polar ou carregado deixe seu meio aquoso e mova-se para o interior hidrofóbico da bicamada, processo com grande variação de energia livre positiva.
A disposição assimétrica de tipos lipídicos na bicamada prevê a existência de flipases, flopases e flip-flopases.
As flipases catalisam o traslado dos aminofosfolipídeos fosfatidiletanolamina e fosfatidilserina da lâmina extracelular para a citosólica.
Manter a fosfatidilserina na lâmina extracelular é importante.
As flipases consomem aproximadamente um ATP por molécula de fosfolipídeo trasladada, sendo estrutural e funcionalmente relacionadas às ATPases do tipo P descritas na página 410.
As flopases movimentam fosfolipídeos da membrana plasmática da lâmina citosólica para a extracelular.
As flip-flopases são proteínas que movem qualquer fosfolipídeo da membrana através da bicamada a favor do gradiente de concentração.
Lipídeos e proteínas difundem-se lateralmente na bicamada.
Moléculas lipídicas individuais podem mover-se lateralmente no plano da membrana trocando de lugar com suas moléculas lipídicas vizinhas.
A difusão lateral pode ser mostrada experimentalmente ao se anexar sondas fluorescentes aos grupos polares dos lipídeos e usando microscopia de fluorescência para acompanhar as sondas no decorrer do tempo.
O rastreamento de partícula única, permite acompanhar o movimento de uma única molécula lipídica na membrana plasmática em uma escala de tempo muito menor.
Muitas proteínas de membrana movem-se como se flutuassem em um mar de lipídeos.
Outras proteínas de membrana são ancoradas às estruturas internas para impedir sua difusão livre.
Esfingolipídeos e colesterol agrupam-se em balsas de membrana
Mesmo em uma única lâmina da membrana, a distribuição lipídica não é uniforme.
Os microdomínios colesterol-esfingolipídeos na monocamada externa da membrana plasmática são levemente mais espessos e mais ordenados do que os microdomínios vizinhos ricos em fosfolipídeos.
Balsas lipídicas são notavelmente enriquecidas em duas classes de proteínas integrais de membrana.
Os domínios “balsa” e “mar” da membrana plasmática não são rigidamente separados.
Medidas indiretas em fibroblastos em cultura sugerem um diâmetro aproximado de 50 nm para uma balsa individual.
A maioria das células expressa mais do que 50 tipos diferentes de proteínas plasmáticas.
A caveolina é uma proteína integral de membrana com dois domínios globulares conectadospor um domínio hidrofóbico em forma de grampo de cabelo, que liga a proteína à lâmina citoplasmática da membrana plasmática.
Forma dímeros e associa-se a regiões enriquecidas com colesterol na membrana.
Cavéolas: são balsas incomuns que envolvem as duas lâminas da bicamada.
A curvatura da membrana e a fusão são fundamentais para muitos processos biológicos
Mudanças de curvatura são fundamentais para uma das mais notáveis características das membranas biológicas.
Embora as membranas sejam estáveis, elas não são estáticas.
Endomembranas eucarióticas
Compartimentos membranosos
Uma proteína que é intrinsecamente curva pode forçar a curvatura da bicamada ao ligar-se nela.
De forma alternativa, múltiplas subunidades de uma proteína de suporte podem ser montadas em complexos supramoleculares curvos.
Exemplo: uma superfamília de proteínas contendo domínios BAR .
A fusão específica de duas membranas requer que:
(1)- elas se reconheçam;
(2)- as suas superfícies tornem-se justapostas;
(3)- as estruturas das suas bicamadas sejam localmente rompidas;
(4)- suas bicamadas fundam-se;
(5)- tempo adequado.
Exemplo de fusão de membranas: SINAPSES
Quando vesículas intracelulares carregadas com neurotransmissores se fundem com a membrana plasmática.
Esse processo envolve uma família de proteínas chamadas de SNARE.
v-SNARE
t-SNARE
SNAP 25
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Transporte de solutos através da membrana
Toda célula viva deve obter materiais brutos de seu ambiente para a biossíntese e a produção de energia, devendo liberar os produtos de seu metabolismo para o meio.
Em alguns casos, a proteína de membrana simplesmente facilita a difusão do soluto a favor de seu gradiente de concentração, mas o transporte também pode ocorrer contra um gradiente de concentração, de carga elétrica, ou ambos, e nesse caso o processo requer energia.
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Difusão Simples
Difusão Facilitada
Transporte Ativo Primário
Transporte Ativo
Secundário
Canal Iônico
Transporte iônico mediado por ionóforo
O transporte passivo é facilitado por proteínas de membrana
Variação de energia: passagem de 
um soluto hidrofílico através da bicamada lipídica de uma membrana biológica.
Transportadores e canais iônicos são fundamentalmente diferentes
Os transportadores de moléculas e íons ligam seus substratos com uma especificidade muito alta, catalisam transporte a velocidades bem abaixo dos limites da difusão livre e são saturáveis no mesmo sentido que as enzimas.
Os canais em geral permitem movimento transmembrana de íons em velocidades com ordens de magnitude maiores do que aquela típica dos transportadores, velocidades que se aproximam ao limite da difusão livre.
O transportador de glicose de eritrócitos controla o
transporte passivo.
Cinética do transporte da glicose para dentro do eri-
trócito.
O trocador de cloreto-bicarbonato catalisa o cotransporte eletroneutro de ânions através da membrana plasmática 
O eritrócito contém outro sistema de difusão facilitada, um trocador de ânion que é essencial ao transporte de CO2 de tecidos como o músculo esquelético e o fígado para os pulmões. 
Proteína trocadora de ânion (TA), aumenta a taxa de transporte + 1 milhão de vezes
A insulina, liberada pelo pâncreas em resposta à alta concentração de glicose sanguínea, desencadeia o movimento dessas vesículas intracelulares à membrana plasmática, com a qual elas se fundem, levando as moléculas de GLUT4 para a membrana plasmática 
Quando não há transferência efetiva de carga na proteína trocadora de ânion (TA); a troca é eletroneutra.
Uniporte 
Simporte
Antiporte 
Trocadores de ânions semelhantes também são encontrados em plantas e microrganismos.
O genoma humano tem genes para três trocadores de cloreto-bicarbonato muito parecidos
Os eritrócitos contêm o transportador TA1, o TA2 é proeminente no fígado, e o TA3 está presente em membranas plasmáticas no cérebro
O transporte ativo resulta em movimento de soluto contra um gradiente de concentração ou eletroquímico.
Transporte ativo é termodinamicamente desfavorável (endergônico), ocorre apenas acoplado a um processo exergônico como:
a absorção de luz solar
uma reação de oxidação
uma hidrólise de ATP
No transporte ativo primário o acúmulo de soluto é acoplado diretamente a uma reação química exergônica, como na conversão de ATP a ADP + Pi
O transporte ativo secundário ocorre quando o transporte endergônico de um soluto está acoplado a um fluxo exergônico.
A equação geral para a variação de energia livre no processo químico que converte S a P é
DG’0 = variação de energia livre padrão
R = constante dos gases = 8,315 J/mol K
T = temperatura absoluta 
Quando a “reação” é simplesmente o transporte de um soluto de uma região de concentração C1 para C2, não há formação ou rompimento de ligações e DG’0 é zero.
A variação de energia livre para o transporte, DGt , é então:
Se houver uma diferença de 10 vezes na concentração entre dois compartimentos, o custo para movimentar 1 mol de um soluto não carregado a 25 °C
Exemplo:
ATPases do tipo P sofrem fosforilação durante seus ciclos catalíticos
ATPases do tipo P são transportadores de cátions que são fosforilados de forma reversível por ATP (por isso o nome tipo P).
A fosforilação força uma mudança conformacional que é fundamental para o movimento do cátion através da membrana.
As ATPases do tipo P são muito comuns em eucariotos e bactérias
A Na+K + -ATPase de células animais e a H +-ATPase da membrana plasmática de plantas e fungos determinam o potencial eletroquímico transmembrana estabelecer os gradientes iônicos através da membrana.
Esses gradientes proporcionam a força propulsora para o transporte ativo secundário e também formam a base da sinalização elétrica em neurônios. 
O mecanismo postulado para as ATPases do tipo P leva em consideração as grandes mudanças conformacionais e a fosforilação-desfosforilação do resíduo crítico Asp no domínio P que ocorrem durante o ciclo catalítico.
Para a bomba SERCA cada ciclo catalítico move dois íons Ca 2+ através da membrana e converte um ATP a ADP e Pi
Uma variação desse mecanismo básico é vista na Na+ K+-ATPase da membrana plasmática
A Na + K + -ATPase é responsável por manter baixa a concentração de Na + e alta a de K + na célula, em relação ao fluido extracelular
Para cada molécula de ATP convertida a ADP e Pi , o transportador desloca dois íons K + para dentro e três íons Na + para fora através da membrana plasmática.
ATPases do tipo V e do tipo F são bombas de prótons impulsionadas por ATP 
ATPases do tipo V são responsáveis por acidificarem compartimentos intracelulares em muitos organismos (assim, o V vem de vacuolar)
Bombas de prótons desse tipo mantêm o pH entre 3 e 6 nos vacúolos de fungos e plantas superiores, bem abaixo do citosol (pH 7,5).
ATPases do tipo V são também responsáveis pela acidificação de lisossomos, endossomos, do aparelho de Golgi e de vesículas secretoras em células animais.
Os transportadores ATPases do tipo F ativos catalisam a passagem transmembrana de prótons “morro acima” impulsionados pela hidrólise de ATP
A designação “do tipo F” provém da identificação dessas ATPases com fatores acoplados à energia.
as ATPases do tipo F catalisam suas reações em ambas as direções. Assim, um gradiente de prótons pode suprir a energia para conduzir a reação reversa, a síntese de ATP.
TransportadoresABC usam ATP para impulsionar o transporte ativo de uma grande variedade de substratos
Os transportadores ABC constituem uma grande família de transportadores dependentes de ATP que bombeiam aminoácidos, peptídeos, proteínas, íons metálicos, vários lipídeos, sais biliares e muitos compostos hidrofóbicos, incluindo fármacos, para fora das células contra um gradiente de concentração.
Um transportador ABC em humanos, o transportador multifármacos (MDR1, também chamado de glicoproteína P), é responsável pela impressionante resistência de certos tumores a alguns fármacos antitumor geralmente eficazes.
MDR1 tem especificidade para compostos hidrofóbicos, doxorrubicina que é utilizada no tratamento de câncer. Ele bombeia os fármacos para fora da célula, impedindo o acúmulo do fármaco no tumor, bloqueando seus efeitos terapêuticos.
O MDR1 têm sido conservados na evolução porque impede a entrada de compostos tóxicos na membrana placentária e na barreira sangue-cérebro, que de outra forma lesariam o feto ou o cérebro.
Gradientes iônicos provêm a energia necessária para o transporte ativo secundário
Os gradientes iônicos formados pelo transporte primário de Na + ou H + podem prover a força propulsora para o co-transporte de outros solutos.
Muitos tipos celulares contêm sistemas de transporte que acoplam o fluxo espontâneo “morro abaixo” de íons ao bombeamento simultâneo “morro acima” de outro íon, açúcar ou aminoácido (Tabela 11-4).
O transportador de lactose (lactose-permease ou galactosídeo-permease) da E. coli é o protótipo bem estudado de cotransportadores impulsionados por prótons. 
Essa proteína consiste em uma cadeia polipeptídica única (417 resíduos) que funciona como um monômero, transportando um próton e uma molécula de lactose para a célula, com acúmulo resultante de lactose.
Em células epiteliais do intestino, a glicose e certos aminoácidos são acumulados por simporte com Na+, a favor do gradiente de Na+ estabelecido pela Na+ K+-ATPase da membrana plasmática. 
A superfície apical da célula epitelial intestinal é coberta com microvilosidades, projeções finas e longas da membrana plasmática que aumentam muito a área da superfície exposta ao conteúdo intestinal.
Os ionóforos (transportadores de íons) são moléculas solúveis em lipídeos que ligam íons específicos e os carregam passivamente através de membranas, dissipando a energia dos gradientes eletroquímicos.
A valinomicina é um antibiótico: mata células microbianas por desacoplar o processo de transporte ativo secundário das reações de conservação de energia. 
As aquaporinas formam canais hidrofílicos transmembrana para a passagem de água.
Uma família de proteínas integrais de membranas descoberta por Peter Agre.
São encontradas em todos os organismos;
Os eritrócitos possuem alta densidade de aquaporinas em sua membrana plasmática;
A secreção de água pelas glândula exócrinas que produzem suor, saliva e lagrimas ocorre por meio das aquaporinas;
Em humanos AQP com defeitos genéticos são conhecidas por serem responsáveis por uma grande variedade de doenças.
As aquaporinas formam canais hidrofílicos transmembrana para a passagem de água.
As aquaporinas formam canais hidrofílicos transmembrana para a passagem de água.
As aquaporinas não permitem a passagem de prótons, que poderiam colapsar os gradientes eletroquímicos da membrana;
Canais iônicos seletivos permitem o movimento rápido de íons através das membranas.
Canais iônicos seletivos – primeiramente reconhecidos em neurônios, estando também presentes na membrana plasmática de todas as células, assim como nas membranas intracelulares em eucariotos proporcionam outro mecanismo para deslocar íons inorgânicos através da membrana. 
Determinam a permeabilidade da membrana plasmática a íons específicos e regulam a concentração citosólica de íons e o potencial de membrana.
Canais iônicos seletivos permitem o movimento rápido de íons através das membranas
 Canais iônicos são distintos de transportadores iônicos em pelo menos três aspectos:
Primeiro, a velocidade de fluxo pelos canais pode ser várias ordens de magnitude maior do que o número de renovação para o transportador;
Segundo, canais iônicos não são saturáveis: as velocidades não se aproximam de um máximo em concentração alta de substrato;
Terceiro, eles são abertos em resposta a algum evento celular.
Canais iônicos seletivos permitem o movimento rápido de íons através das membranas
Em canais controlados por ligante (geralmente oligoméricos), a ligação de uma pequena molécula extracelular ou intracelular força uma transição alostérica na proteína, que abre ou fecha o canal. Em canais iônicos controlados por voltagem, uma mudança no potencial elétrico transmembrana (Vm ) causa uma movimentação no domínio da proteína carregada em relação à membrana, abrindo ou fechando o canal.
A função do canal iônico é medida eletricamente
A estrutura do canal de K+ revela a base de sua especificidade
A estrutura do canal de potássio da bactéria Streptomyces lividans, determinada cristalograficamente por Roderick Mackinnon em 1998, fornece informações importantes sobre como os canais iônicos funcionam;
O canal de K1 consiste em quatro subunidades idênticas que atravessam a membrana e formam um cone dentro de um cone que circunda o canal iônico, com a porção larga final do cone duplo voltada para o lado extracelular;
Cada subunidade tem duas hélices a transmembrana, assim como uma terceira hélice mais curta que contribui para a região do poro. 
A estrutura do canal de K+ revela a base de sua especificidade
A estrutura do canal de K+ revela a base de sua especificidade
O caminho iônico através da membrana inicia (na superfície interna) como um canal largo preenchido com água no qual o íon retém a sua esfera de hidratação.
A estabilização posterior é fornecida pelas hélices curtas na região do poro de cada subunidade, com as cargas negativas parciais de seus dipolos elétricos apontando para o K1 no canal;
Em cerca de dois terços desse caminho através da membrana, esse canal estreita-se na região do filtro de seletividade, forçando o íon a abandonar suas moléculas de água de hidratação.
Átomos de oxigênio carbonílicos no esqueleto do filtro de seletividade substituem as moléculas de água na esfera de hidratação, formando uma série perfeita de camadas de coordenação pela qual o K1 se move.
Canais de K+ controlados por voltagem 
Canais de K1 controlados por voltagem são estruturas mais complexas do que aquela ilustrada anteriormente, mas são variações do mesmo tema. Por exemplo, os canais de K+ controlados por voltagem da família Shaker em mamíferos possuem um canal iônico semelhante ao canal bacteriano mostrado, mas com um domínio proteico adicional sensível ao potencial de membrana, que se move em resposta à mudança de potencial e, ao se mover, desencadeia a abertura ou o fechamento do canal de K+.
Canais de K+ controlados por voltagem.
Canais iônicos dependentes de portão são fundamentais na função neuronal
Praticamente toda a sinalização rápida entre neurônios e seus tecidos-alvo (como o músculo) é mediada pela abertura e o fechamento rápido de canais iônicos nas membranas plasmáticas.
Outro canal iônico muito bem estudado é o receptor nicotínico da acetilcolina, que atua na passagem de um sinal elétrico de um neurônio motor para uma fibra muscular na junção neuromuscular (sinalizando para o músculo contrair).
Canais iônicos defeituosos podem ter consequências fisiológicas graves
Defeitos genéticos em canais de Na+ controlados por voltagem da membrana plasmática de miócito resultam em doenças em que os músculos são periodicamente paralisados (como na paralisia periódica hipercalêmica) ou enrijecidos (como na paramiotonia congênita).
-Muitas toxinas que ocorrem naturalmente atuam em canais iônicos, e a potência dessas toxinas ilustra a importância da função do canal iônico normal:
tetrodotoxina (produzida pelo baiacu, Sphaeroides rubripes), saxitoxina (produzida pelo dinoflagelado Gonyaulax), dendrotoxinaveneno da serpente mamba preta , tubocurarina, o componente ativo do curare (usado como veneno em flechas na região amazônica), e duas outras toxinas de venenos de serpentes, a cobrotoxina e a bungarotoxina; 
Canais iônicos defeituosos podem ter consequências fisiológicas graves.
Referências
Nelson, David L.; Cox, Michael M. Princípios de Bioquímica de Lehninger - 6ª Ed. 2014. Editora Artmed.
Imagens, tabelas e gráficos: Livro Princípios de Bioquímica de Lehninger  e Google imagens.