Membranas Biológicas e Transporte

Prévia do material em texto

*
*
*
MEMBRANAS BIOLÓGICAS E TRANSPORTE
Professora Melissa Kayser
*
*
*
As células eucariontes contêm:
Membranas plasmáticas
Membranas internas em organelas: núcleo, a mitocôndria, o retículo endoplasmático, o complexo de Golgi e vários tipos de vacúolos, incluindo os lisossomos.
*
*
*
Funções da membrana
 Individualização da célula
 Transportes moleculares e iônicos
 Recepção de informação
 Transmissão de informação
 Reconhecimento celular
 Orientação de reações químicas em cadeia: enzimas localizadas na superfície da membrana
*
*
*
INTERAÇÕES ENTRE LIPÍDIOS ANFIPÁTICOS: A BICAMADA LIPÍDICA
Lipídios com duas cadeias de hidrocarboneto, 
mais estável
 
Lipídios com uma única
cadeia de hidrocarboneto
Vesícula oca, resultante do fechamento de uma bicamada lipídica.
Digestão dos lipídios da dieta. 
*
*
*
Bicamada Lipídica
Fosfolipídios afinidade diferencial com a água:
1. Cabeça hidrofílica: voltada para o meio
extracelular e para o citoplasma.
2. Cauda hidrofóbica: voltada para a parte
interna da membrana
*
*
*
Mosaico Fluído (Singer e Nicholson)
 As proteínas dispõem-se na bicamada lipídica de acordo com o modelo do mosaico fluido, no qual os componentes interagem por meio de ligações não-covalentes e podem difundir-se lateralmente em um meio de consistência líquida.
*
*
*
A maioria dos compostos polares não atravessam a bicamada lipídica
Experiências com lipossomos demonstram que a bicamada lipídica permite a livre difusão de moléculas apolares mas é essencialmente impermeável a compostos iônicos ou polares, insolúveis no centro hidrofóbico da bicamada.
A água é uma exceção, podendo atravessar a bicamada lipídica com relativa facilidade.
*
*
*
A consistência da bicamada lipídica depende da temperatura e de sua composição
As bicamadas lipídicas sofrem mudança de estado físico em uma temperatura característica, chamada temperatura de transição, análoga ao ponto de fusão dos ácidos graxos. 
Essa mudança de fase é devida à alteração do grau de interação das cadeias de hidrocarboneto constituintes da bicamada. 
*
*
*
A consistência da bicamada lipídica depende da temperatura e de sua composição
Abaixo da temperatura de transição, as cadeias são mais ordenadas e interagem fortemente, e a bicamada tem uma consistência sólida;
 
Acima dessa temperatura, elas são mais desordenadas e menos compactadas, o que determina um estado líquido.
*
*
*
Temperatura de Transição
A temperatura de transição de bicamadas é grandemente influenciada pela natureza dos lipídios anfipáticos que a compõem: 
É tanto maior quanto maior for o teor de ácidos graxos com cadeias longas e saturadas, 
É tanto menor quanto maior for o teor de ácidos graxos com cadeias curtas e insaturadas.
*
*
*
ESTRUTURA DAS 
MEMBRANAS BIOLÓGICAS
As membranas biológicas são formadas por uma 
bicamada lipídica entremeada de proteínas.
As membranas são permeáveis a compostos para os quais dispõem de proteínas que atuem como transportadores específicos. 
As proteínas desempenham inúmeras outras funções características de cada membrana. 
*
*
*
ESTRUTURA DAS 
MEMBRANAS BIOLÓGICAS
A composição de lipídios e proteínas varia conforme a membrana considerada. 
Mamíferos depende do estado nutricional e da idade do animal; 
Plantas, bactérias e animais ectotérmicos, varia com determinadas condições do meio ambiente, como luz e temperatura. 
Os glicolipídios e as glicoproteínas respondem pelo teor de carboidratos das membranas, que é, geralmente, baixo. 
Valores são para fígado de rato. Valores do fígado de outras espécies, incluindo a humana, indicam um padrão semelhante.
humana
*
*
*
Os fosfolipídios são os componentes mais abundantes das membranas
A comparação entre os lipídios anfipáticos que compõem a bicamada das membranas dos seres vivos permite algumas generalizações. 
A
F = fosfatidato; FC = fosfatidilcolina; FE = fosfatidiletanolamina; FS = fosfatidilserina; FI = fosfatidilinositol; FG = fosfatidilglicerol; 
DFG = difosfatidilglicerol (cardiolipina); EM = esfingomielina; GL = glicolipídios (cerebrosídios e gangliosídios); C = colesterol.
1Membranas de hepatócitos de rato; 2Cérebro de rato; 3Membrana plasmática.
*
*
*
Os fosfolipídios são os componentes mais abundantes das membranas
Nos organismos superiores, as membranas celulares são construídas, basicamente, com fosfolipídios, ou seja, glicerofosfolipídios e esfingomielinas. 
Glicerofosfolipídio
*
*
*
Estruturas dos dois glicerofosfolipídios mais comuns
*
*
*
ESFINGOMIELINA
Estrutura de esfingomielina contendo colina. 
Os glicerofosfolipídios estão presentes em quantidades muito maiores que as esfingomielinas, sendo fosfatidilcolina o lipídio mais abundante.
*
*
*
COLESTEROL
 Além dos fosfolipídios, o colesterol é um componente importante das membranas eucarióticas; nas membranas plasmáticas é a molécula de lipídio presente na maior concentração, sendo encontrado em pequenas quantidades nas membranas intracelulares.
 Estrutura do colesterol. 
*
*
*
Composição em lipídeos de membranas celulares isoladas de fígado de rato
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. 
Composição em fosfolipídios, em percentagem do total de lipídeos.
*
*
*
Os fosfolipídios são os componentes mais abundantes das membranas
As membranas mitocondriais, especialmente as internas, distinguem-se das demais e assemelham-se à membrana plasmática das bactérias, por apresentarem difosfatidilglicerol (cardiolipina). 
A bainha de mielina, que deu o nome às esfingomielinas, é, na realidade, muito rica em glicolipídios e colesterol. 
Os glicolipídios também ocorrem na face externa das membranas plasmáticas. 
As membranas de bactérias caracterizam-se pela presença de alguns poucos tipos de glicerofosfolipídios, predominando fosfatidiletanolamina; colesterol e esfingolipídios (esfingomielinas e glicolipídios) são virtualmente ausentes. 
*
*
*
As membranas biológicas são fluidas
A consistência das membranas celulares, varia com o comprimento e o grau de insaturação das cadeias carbônicas dos seus lipídios estruturais e, também, com a temperatura.
Seres vivos cuja temperatura flutua com a do meio ambiente - como plantas, bactérias e animais ectotérmicos - modificam a composição em ácidos graxos de suas membranas em resposta a alterações da temperatura ambiente, de modo que a sua fluidez seja sempre constante. 
A temperatura corpórea dos animais endotérmicos é sempre maior que a temperatura de transição de suas membranas, ou seja, as membranas dos mamíferos são líquidas a 37°C. 
Em resumo as membranas dos seres vivos, em condições fisiológicas, são invariavelmente fluidas, com consistência semelhante à da parafina líquida. 
*
*
*
As membranas biológicas são fluidas
O colesterol, nos eucariontes, constitui um fator adicional de regulação da fluidez das membranas, devido a dois efeitos diversos. 
Suas moléculas intercalam-se na bicamada lipídica, a hidroxila interagindo com os grupos polares dos fosfolipídios e os anéis esteroídicos, com as cadeias carbônicas. 
Como a molécula de colesterol não alcança o centro da bicamada, a interação com as cadeias de hidrocarboneto e a sua imobilização parcial dá-se apenas na região mais próxima dos grupos polares. O resultado é um aumento de rigidez na porção periférica da membrana. 
Por outro lado, quando está presente em concentrações relativamente altas, como acontece nas membranas plasmáticas, o colesterol impede que as cadeias carbônicas interajam fortemente - o que resultaria em um estado gelatinoso - e contribui, assim, para que as membranas sejam mais líquidas. 
*
*
*
As duas monocamadas de uma membrana contêm lipídios diferentes
A estrutura líquida das membranas naturais permite que as moléculas de lipídios possam mover-se lateralmente, dentro da monocamada da qual fazem parte. 
Por outro lado, a migração de lipídios de uma monocamada para a outraé extremamente rara, porque exige que a porção polar da molécula deixe de interagir favoravelmente com a água e atravesse o centro hidrofóbico da bicamada, um processo muito endergônico.
O resultado desta impossibilidade é uma distribuição assimétrica de lipídios, ou seja, as duas monocamadas são constituídas por lipídios diferentes. 
A as simetria é gerada durante a síntese da membrana. 
As membranas plasmáticas de células animais são especialmente assimétricas: os glicolipídios, por exemplo, localizam-se apenas na monocamada externa.
*
*
*
Mobilidade dos Lipídios
Mobilidade de componentes lipídicos em membranas.
Modelo de uma bicamada lipídica Paralisada num determinado Instante, modelada em computador.
*
*
*
O grau de interação de proteínas com a bicamada lipídica é variável
 Enquanto os lipídios presentes nas membranas biológicas são os principais responsáveis pela sua estrutura e fluidez, as proteínas são responsáveis pelas funções específicas associadas a cada tipo de membrana. Sua proporção em relação aos lipídios varia, sendo excepcionalmente grande em membranas com alto conteúdo de enzimas e permeases, como a membrana interna da mitocôndria.
α-hélice (canal–metabólitos)
Periferia (maior)
*
*
*
PROTEÍNAS
A maioria das proteínas integradas estendem-se transversalmente através da membrana graças à presença de três domínios em sua estrutura: dois domínios hidrofílicos terminais, ricos em aminoácidos polares, e um domínio hidrofóbico central, com predominância de aminoácidos apolares.
O domínio que atravessa a membrana tem, freqüentemente, estrutura em α-hélice. Outras proteínas integradas, além do domínio hidrofóbico, têm apenas um domínio hidrofílico exposto em uma das superfícies da membrana. 
As proteínas transportadoras de elétrons da membrana interna da mitocôndria - com exceção do citocromo c - são exemplos de proteínas integradas. 
*
*
*
Interações de proteínas de membrana com a bicamada lipídica
Diagrama ilustra os múltiplos tipos de ligações de proteínas na ou com a bicamada lipídica: 
um único segmento transmembrânico; 
múltiplos segmentos transmembrânicos; 
ligada a uma proteína integral; 
ligada eletrostaticamente à bicamada lipídica; 
ligada por uma seqüência de aminoácidos hidrofóbica terminal curta; e 
ligada não-covalentemente a um fosfatidilinositol (PI) da membrana.
*
*
*
PROTEÍNAS
Qualquer que seja o grau de associação com a matriz lipídica, as proteínas de membrana podem difundir-se apenas lateralmente, não passando de uma monocamada para a outra; ou seja, a membrana apresenta uma distribuição assimétrica de proteínas, como acontece com os fosfolipídios. 
As glicoproteínas são um exemplo de proteínas com localização restrita a uma face da membrana.
As membranas biológicas, graças à sua fluidez, podem fundir-se umas com as outras em diversos processos importantes, como a divisão celular, a fusão do espermatozóide com o óvulo e a formação de vesículas de exocitose ou de endocitose.
 
*
*
*
GLlCOPROTEÍNAS E GLlCOLlPÍDIOS DA MEMBRANA PLASMÁTICA
Os carboidratos presentes nas membranas de células eucarióticas ocorrem como cadeias de oligossacarídios ligados covalentemente a proteínas - glícoproteínas - e a lipídios - glicolípídíos. 
Estas cadeias são muito hidrofílicas e projetam-se para o lado externo da membrana plasmática. Sua estrutura é muito variada, podendo conter dezenas de resíduos de açúcares, organizados em cadeias ramificadas. 
A grande diversidade de configuração dos oligossacarídios justifica sua atuação como marcadores característicos de cada tipo de célula. 
*
*
*
GLlCOPROTEÍNAS E GLlCOLlPÍDIOS DA MEMBRANA PLASMÁTICA
São os mediadores da comunicação entre as células, sendo reconhecidos por proteínas que se ligam especificamente a carboidratos em inúmeros processos importantes, resumidos a seguir. 
O óvulo de mamíferos contém uma glicoproteína de superfície cuja porção carboidrato é reconhecida apenas por espermatozóides da mesma espécie. 
Os determinantes antigênicos, responsáveis pelo reconhecimento de células pelo sistema imunitário, são carboidratos complexos de glicoproteínas e glicolipídios da membrana plasmática. 
Este é o caso do sistema ABO dos grupos sanguíneos e dos de terminantes responsáveis pela rejeição de órgãos e tecidos transplantados. 
*
*
*
TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS
*
*
*
Transporte através da membrana
*
*
*
Transportes Passivos
*
*
*
OSMOSE
*
*
*
OSMOSE EM CÉLULA ANIMAL
*
*
*
DIFUSÃO SIMPLES
Pequenos poros na superfície da membrana permeável permitem a passagem seletiva de íons.
Existem canais específicos para cada íon (sódio, cloro, potássio, etc.). A taxa de passagem é 
regulada pelo número e tamanho de poros. Após algum tempo, a concentração de ambos os
íons (barras verde e amarela na figura 1) será a mesma em ambos os lados das membranas. 
*
*
*
DIFUSÃO FACILITADA
*
*
*
DIFUSÃO FACILITADA DA GLICOSE
Ligando = insulina
Molécula transportada = glicose
*
*
*
Modelo 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.
*
*
*
TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS
 O transporte por permeases obedece a uma cinética semelhante à descrita por Michaelis-Menten para a reação enzimática: 
 A velocidade do transporte aumenta com a concentração do metabólito até atingir uma velocidade máxima, por saturação da permease. 
 Da mesma forma que as enzimas, as translocases são específicas e inibidas competitivamente por análogos estruturais do metabólito que transportam e não-competitivamente por reagentes que se ligam a grupos essenciais da proteína transportadora. 
 
*
*
*
TRANSPORTE ATRAVÉS DE MEMBRANAS
 Muitas permeases são cotransportadoras, ou seja, o transporte de uma molécula depende da transferência simultânea de outra molécula, no mesmo sentido (simporte) ou no sentido oposto (antiporte). Outras translocases transportam apenas um composto: são unitransportadoras.
 
*
*
*
Mecanismos uniporte, simporte e antiporte para deslocamento de substâncias. S e S’ representam moléculas diferentes.
Mecanismo de antiporte passivo de ânions para movimento de Cl– e HCO3– através da membrana plasmática do eritrócito.
Transporte simporte Na+-dependente de glicose através da membrana plasmática.
Cotransportadoras
*
*
*
TRANSPORTE ATIVO
Ocorre o movimento do soluto 
contra o gradiente de concentração
do meio hipotônico para o meio hipertônico.
 Sempre realizado por proteínas transportadoras presentes na membrana plasmática.
 Ocorre com gasto de energia.
*
*
*
BOMBA DE SÓDIO E POTÁSSIO
Modelo 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+. 
*
*
*
Transportes não mediados 
por vesículas
*
*
*
Transportes mediados 
por vesículas 
(O transporte de macromoléculas)
ENDOCITOSE:
1. Fagocitose: englobamento de partículas sólidas por meio de emissão de pseudópodes. Ocorre em certos protozoários (ex.: amebas) e células da defesa responsáveis pela fagocitose de partículas estranhas.
2. Pinocitose: englobamento de partículas líquidas por meio de invaginação da membrana. Ocorre em praticamente todos os tipos celulares.
3. Mediada por um receptor: ocorre a partir da ligação de moléculas denominadas ligando (ex.: proteínas de reconhecimento virais) com receptores protéicos da membrana celular.
 
EXOCITOSE: 
Processo pelo qual são lançadas fora secreções importantes do metabolismo do corpo humano e eliminados os resíduos da endocitose (clasmocitose).
*
*
*
FAGOCITOSE
Na endocitose, formam-sevesículas a partir de segmentos da membrana plasmática que sofrem invaginação, 
englobando parte do fluido extracelular, juntamente com os solutos nele presentes.
*
*
*
PINOCITOSE
*
*
*
Endocitose mediada por um receptor ou endocitose adsortiva 
*
*
*
Endocitose Adsortiva
Se liga a receptores
específicos
Proteína fibrosa
Se fundem
*
*
*
*
*
*
TIPOS DE VACÚOLOS
*
*
*
EXOCITOSE 
A exocitose ocorre por fusão de vesículas intracelulares com a membrana plasmática 
*
*
*
MUITO OBRIGADA 
PELA ATENÇÃO!!!!