Estrutura da Membrana

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Resumo – THE CELL – CAPÍTULO 10 – ESTRUTURA DA MEMBRANA
A membrana plasmática engloba a célula, define os seus limites e mantém 
as diferenças essenciais entre o citosol e o ambiente extracelular. No 
interior de células eucariotas, as membranas do reticulo endoplasmático, o 
aparelho de Golgi, a mitocôndria e outras organelas limitadas por 
membranas mantém as diferenças características entre os conteúdos de 
cada organela e os do citosol.
Todas as membranas biológicas têm uma estrutura geral comum: cada uma 
é um filme muito fino de moléculas lipídicas e protéicas, mantidas unidas 
principalmente por interações não-covalentes.
A bicamada lipídica é responsável pela estrutura fluida básica da membrana 
e serve como uma barreira relativamente impermeável à passagem da 
maioria das moléculas hidrossolúveis. As moléculas protéicas que 
atravessam a bicamada lipídica servem de mediadores para praticamente 
todas as outras funções da membrana, por exemplo, transportar moléculas 
especificas através destas, ou catalisar reações associadas à membrana, 
como a síntese de ATP. Na membrana plasmática, algumas proteínas 
servem de ligantes estruturais que conectam o citoesqueleto tanto à matriz 
celular quanto às células adjacentes, enquanto outros servem como 
receptores para detectar e transduzir sinais químicos no ambiente celular.
BICAMADA LIPIDICA
A bicamada lipídica é a base universal da estrutura das membranas 
celulares. A estrutura DAE bicamada pode ser atribuída às propriedades 
especiais das moléculas lipídicas, que fazem com que elas se agrupem 
espontaneamente em duplas camadas, mesmo sob condições artificiais 
simples.
Os Lipídeos das Membranas São Moléculas Anfipáticas, a Maioria 
das Quais Forma Espontaneamente Duplas Camadas
Todas as moléculas lipídicas das membranas celulares são anfipáticas, ou 
seja, elas têm uma extremidade hidrofílica (“amante da água”) ou polar, e 
uma extremidade hidrofóbica (“teme a água”) ou não-polar. Os lipídeos de 
membrana mais abundantes são os fosfolipídeos. Estes têm um grupamento 
polar numa extremidade (cabeça polar) e duas caudas de hidrocarboneto de 
característica hidrofóbica. As caudas são normalmente ácidos graxos, que 
podem apresentar diferentes comprimentos. Uma cauda possui, de modo 
geral, uma ou mais ligações duplas em cis (isto é, é insaturado), enquanto a 
outra cauda não (isto é, é saturado). As diferenças no comprimento e na 
saturação da cauda de ácidos graxos são importantes, pois influem na 
habilidade das moléculas de fosfolipídeos de empacotarem-se, afetando, 
por isto, a fluidez da membrana.
A forma e a natureza anfipática das moléculas de lipídeos são responsáveis 
pela formação espontânea da bicamada lipídica num ambiente aquoso. As 
moléculas hidrofílicas se dissolvem imediatamente em água porque podem 
formar interações eletrostáticas favoráveis, ou pontes de hidrogênio, com as 
moléculas de água. As moléculas hidrofóbicas, ao contrario, são insolúveis 
na água porque não são capazes de formar interações energeticamente 
favoráveis com as moléculas de água.
Pelas razoes acima, as moléculas de lipídeos espontaneamente se agregam 
direcionando suas caudas hidrofóbicas para o interior e expondo as suas 
cabeças hidrofílicas para a água. Dependendo de sua forma, eles podem 
fazer isto de duas maneiras: podem formar micelas esféricas, com as 
caudas voltadas para dentro, ou podem formar lâminas bimoleculares, ou 
bicamada, com as caudas hidrofóbicas contidas entre as cabeças 
hidrofílicas.
Nestes arranjos energeticamente mais favoráveis, as cabeças hidrofílicas se 
voltam para a água em cada superfície da bicamada, e as caudas 
hidrofóbicas estão protegidas da água no interior. As mesmas forças que 
fazem com que os fosfolipídeos formem duplas camadas também 
proporcionam uma propriedade de “auto-selamento”. Uma pequena fenda 
na bicamada cria uma borda livre em contato com a água; esta situação é 
energeticamente desfavorável, por isso os lipídeos rearranjam-se para 
eliminar os ângulos livre. (Nas membranas plasmáticas de eucariotos, as 
fendas maiores são reparadas pela fusão de vesículas intracelulares).
Uma bicamada lipídica tem outras características alem de suas 
propriedades de “auto-selamento” que a tornam uma estrutura ideal para 
as membranas celulares. Uma dessas características mais importantes da 
membrana é a fluidez, que é crucial para muitas funções das membranas. 
A Bicamada Lipídica é Um Fluido Bidimensional
As moléculas individuais de lipídeos são capazes de se difundir livremente 
através de duplas camadas lipídicas. As moléculas de fosfolipídeos em 
duplas camadas sintéticas muito raramente migram da monocamada de um 
lado para a monocamada do outro lado. Este processo, conhecido como 
“flip-flop”, acontece menos do que uma vez por mês em qualquer molécula 
individualmente. Ao contrario, as moléculas lipídicas prontamente trocam 
de lugar com as moléculas vizinhas dentro de uma mesma monocamada 
(107 vezes por segundo).
O componente lipídico de uma membrana biológica é um liquido 
bidimensional no qual as moléculas que o compõe estão livres para se 
moverem lateralmente. As moléculas individuais de fosfolipídeos se 
encontram normalmente confinadas à sua própria monocamada. Este 
confinamento cria um problema para a sua síntese. As moléculas de 
fosfolipídeos são feitas somente em uma monocamada da membrana, 
principalmente na monocamada citosólica da membrana do reticulo 
endoplasmático (ER). Se nenhuma dessas novas moléculas sintetizadas 
pudessem migrar razoavelmente rápida para a monocamada não-citosólica, 
não poderiam ser feitos novas duplas camadas lipídicas. O problema é 
resolvido por uma classe especial de enzimas ligadas à membrana, 
chamadas de translocadores de fosfolipídeos, que catalisam um rápido flip-
flop dos fosfolipídeos de uma monocamada para a outra. 
A Fluidez de Uma Bicamada Lipídica Depende da Sua Composição
A fluidez de uma bicamada lipídica depende tanto de sua composição 
quanto de sua temperatura, como é imediatamente demonstrado em 
estudos. Um comprimento mais curto da cadeia reduz a tendência de as 
caudas de hidrocarboneto interagirem entre si, e as ligações duplas em cis 
produzem flexões nas cadeias de hidrocarbonetos que tornam mais difícil 
agrupá-las então a membrana permanece fluida em temperaturas mais 
baixas. 
A bicamada lipídica de muitas membranas celulares não é, composta 
exclusivamente de fosfolipídeos: freqüentemente contem também 
colesterol e glicolipídeos. As membranas plasmáticas de eucariotos contem 
quantidades especialmente grandes de colesterol. As moléculas de 
colesterol aumentam as propriedades “de barreira de permeabilidade” das 
duplas camadas lipídicas. Eles orientam-se na bicamada com os seus 
grupamentos hidroxila próximos aos grupos das cabeças polares das 
moléculas de fosfolipídeos. Nesta posição o seu anel esteróide rígido e em 
forma de placa interage com – e parcialmente imobiliza – as regiões da 
cadeia de hidrocarboneto mais próximas aos grupos das cabeças polares. 
Por meio da redução da mobilidade de alguns poucos primeiro grupos CH2 
das cadeias de hidrocarbonetos das moléculas de fosfolipídeos, o colesterol 
torna a bicamada lipídica menos sujeita a deformações nesta região e, 
assim, diminui a permeabilidade da bicamada a pequenas moléculas 
hidrossolúveis. Apesar de o colesterol apresentar a tendência de tornar a 
bicamada lipídica menos fluida, mas altas concentrações também impedem 
as cadeias de hidrocarbonetos de se aproximarem e cristalizarem.Quatro principais fosfolipídeos predominam na membrana plasmática de 
varias células de mamíferos: fosfatidilcolina, fosfatidiletonolamina, 
fosfatidilserina e esfingomielina. Outros fosfolipídeos como o inositol 
fosfolipídeos, estão presentes em quantidades menores, mas são 
funcionalmente importantes. Por exemplo, têm um papel fundamental na 
sinalização celular. Por que as membranas de eucariotos contêm tamanha a 
variedade de fosfolipídeos, com grupos cujas cabeças que diferem em 
tamanho, em forma e em carga. É possível começar a entender, se 
pensarmos que algumas proteínas de membrana podem funcionar somente 
na presença de grupos específicos da cabeça dos fosfolipídeos. Além disso, 
algumas enzimas citosólicas ligam-se a grupos específicos da cabeça de 
fosfolipídeos expostos na face citosólica da membrana e são, assim, 
recrutados e concentrados em locais específicos da membrana.
A Membrana Plasmática Contém Bolsas Lipídicas que São Ricas em 
Esfingolipídios, em Colesterol e em Algumas Proteínas de 
Membrana
A maior parte dos tipos de moléculas lipídicas de membranas celulares está 
misturado ao acaso na monocamada lipídica em que reside. As forças de 
atração de van der Waals entre as caudas de ácidos graxos adjacentes não 
são suficientemente seletivas para manter juntos grupo de moléculas desta 
natureza. No entanto, para algumas moléculas lipídicas, como os 
esfingolipídeos, as forças de atração podem ser fortes o suficiente para 
manter temporariamente as moléculas adjacentes juntas em pequenos 
microdomínios. Estes microdomínios, ou rafts lipídicos, podem ser visto 
como separações de fase temporárias na bicamada lipídica fluída onde se 
concentram os esfingolipídeos e o colesterol.
Como conseqüência de as cadeias de hidrocarboneto dos lipídeos 
concentrados serem mais longas e retas que as cadeias de ácidos graxos da 
maioria dos lipídeos de membrana, podem melhor acomodar certas 
proteínas de membrana, que, por isto, tendem a acumular-se nestes locais. 
Dessa maneira, supõe-se que as bolsas lipídicas ajudem a organizar estas 
proteínas – tanto concentrando-as para transporte, como para possibilitar 
que estas proteínas funcionem em conjunto.
Na maior parte da membrana, as moléculas de lipídeos em uma 
monocamada da bicamada se movem através desta independentemente 
das moléculas presentes na outra monocamada. Nas bolsas lipídicas, no 
entanto, as longas caudas de hidrocarbonetos dos esfingolipídeos de uma 
monocamada interagem com aquelas presentes na outra monocamada. 
Então, as duas monocamadas em bolsas lipídicas comunicam-se por meio 
das caudas dos lipídeos que as constituem.
A Assimetria da Bicamada Lipídica É Funcionalmente Importante
A assimetria lipídica é funcionalmente importante. Muitas proteínas 
citosólicas ligam-se a grupos específicos das cabeças polares de lipídeos 
encontrados na monocamada citosólica da bicamada lipídica. Os 
fosfolipídeos da membrana plasmática podem ser utilizados de outra forma 
na resposta a sinais extracelulares. Os animais exploram a assimetria de 
fosfolipídeos de suas membranas plasmáticas para distinguir entre células 
vivas e mortas. 
Os Glicolipídeos São Encontrados Na Superfície De Todas As 
Membranas Plasmáticas
As moléculas lipídicas com assimetria mais extrema de distribuição nas 
membranas são as moléculas lipídicas contendo açúcares, chamadas 
glicolipídeos. São encontradas exclusivamente na monocamada não-
citosólica da bicamada lipídica, onde se supõe desempenhem um papel na 
separação celular. A Distribuição assimétrica de glicolipídeos na bicamada 
resulta da adição de grupos de açúcares às moléculas de lipídeos no lúmen 
do aparelho de Golgi que é topologicamente equivalente ao exterior da 
célula.
Os grupos de açúcares desempenham importantes funções na interação das 
células com o ambiente circundante. As sugestões sobre quais seriam as 
funções dos glicolipídeos podem vir da sua localização. Na membrana 
plasmática de células epiteliais, por exemplo, os glicolipídeos estão 
confinados na superfície apical expostos, onde podem auxiliar na proteção 
da membrana contra as condições adversas freqüentemente ali 
encontradas. 
Acredita-se também que os glicolipídeos participem dos processos de 
reconhecimento celular, nos quais as proteínas ligadoras de carboidratos 
associadas à membrana ligam-se aos grupos de açúcares, tanto em 
glicolipídeos como em glicoproteínas, no processo de adesão célula-célula.
Resumo 
As membranas biológicas consistem de uma bicamada continua de 
moléculas de lipídeos na qual as proteínas de membrana estão inseridas. 
Esta bicamada lipídica é fluida, sendo as moléculas lipídicas individuais 
capazes de se difundir através de sua própria monocamada. As moléculas 
lipídicas da membrana são anfipáticas. As mais numerosas são os 
fosfolipídeos. Quando colocados em água, se agrupam espontaneamente 
em duplas camadas, e formam compartimentos lacrados que se fecham 
novamente se rompidos.
Existem três principais classes de moléculas de lipídeos de membrana – 
fosfolipídeos, colesterol e glicolipídeos. A composição lipídica das 
monocamadas interna e externa é diferente refletindo as variadas funções 
das duas faces da membrana celular. 
PROTEÍNAS DE MEMBRANA
As proteínas de membrana desempenham a maioria das funções especificas 
das membranas. As são as proteínas, portanto, que dão a cada tipo de 
membrana na célula as propriedades funcionais características. Assim 
sendo, as quantidades e os tipos de proteínas em uma membrana são 
altamente variáveis. Como os lipídeos de membrana, as proteínas de 
membrana freqüentemente têm cadeias de oligossacarídeos ligados a elas, 
voltados para a face externa da célula; portanto, a superfície que a célula 
apresenta para o exterior é rica em carboidratos. 
As Proteínas de Membrana Podem Estar Associadas à Bicamada 
Lipídica de Várias Maneiras
As diferentes proteínas de membrana estão associadas às membranas em 
distintas formas. Muitas atravessam a bicamada lipídica, com uma parte da 
sua massa em cada lado, estas proteínas transmembrana são anfipáticas, 
possuindo regiões que são hidrofóbicas e regiões que são hidrofílicas. As 
regiões hidrofóbicas atravessam a membrana e interagem com as caudas 
hidrofóbicas das moléculas lipídicas no interior da bicamada, onde elas 
estão isoladas da água. As regiões hidrofílicas ficam expostas à água nos 
dois lados da membrana.
Outras proteínas de membrana localizam-se inteiramente no citosol e estão 
associadas à monocamada citosólica da bicamada lipídica. Outras proteínas 
de membrana, ainda, encontram-se inteiramente expostas na superfície 
externa da célula. As proteínas associadas a lipídeos são sintetizadas como 
proteínas solúveis no citosol e são, em seguida, direcionadas para a 
membrana por meio de uma ligação covalente de um grupamento lipídico.
Algumas proteínas de membrana não se projetam de forma alguma para o 
interior hidrofóbico da bicamada lipídica; em vez disto, ligam-se a uma das 
faces da membrana por meio de interações não-covalentes com outras 
proteínas de membrana. Essas proteínas são conhecidas como proteínas 
periféricas da membrana. As proteínas transmembrana mantidas ligadas à 
bicamada por meio de grupamentos lipídicos, e algumas proteínas 
associadas à membrana por fortes ligações incomuns a outras proteínas não 
podem ser liberadas dessa maneira. Estas proteínas são chamadas de 
proteínas integrais da membrana.
A forma como uma proteína de membrana se associa à bicamadalipídica 
reflete a função desta proteína. Somente proteínas transmembrana podem 
atuas nos dois lados da bicamada ou transportar moléculas através dela. Os 
receptores celulares de superfície são proteínas transmembrana que ligam 
moléculas sinalizadoras no espaço extracelular e geram diferentes sinais 
intracelulares no lado oposto da membrana plasmática.
Algumas das proteínas envolvidas na sinalização intracelular, por exemplo, 
estão ligadas à metade citosólica da membrana plasmática por meio de 
uma ou de mais ligações covalentes com grupamentos lipídicos.
Na Maioria das Proteínas Transmembrana a Cadeia Polipeptídica 
Atravessa a Bicamada Lipídica em Uma Conformação de α Hélice
Uma proteína transmembrana geralmente tem uma orientação única na 
membrana. Isto reflete tanto a maneira assimétrica pela qual é sintetizada e 
inserida na bicamada lipídica no ER, como as diferentes funções dos seus 
domínios citosólico e não-citosólico.
Como as ligações peptídicas são elas próprias polares e há ausência de 
água, todas as ligações peptídicas na bicamada tendem a formar pontes de 
hidrogênio entre elas. A formação de pontes de hidrogênio entre ligações 
peptídicas é maximizada se a cadeia polipeptídica forma uma α hélice 
normal quando atravessa a bicamada, e acredita-se que seja assim que a 
grande maioria dos segmentos das cadeias polipeptídicas que atravessam 
as membranas o façam. 
Em proteínas transmembrana de passagem única, o polipeptídeo atravessa 
a membrana somente uma vez, enquanto que nas proteínas 
transmembrana multipassagem a cadeia polipeptídica atravessa varias 
vezes a membrana. Uma forma alternativa para as ligações peptídicas 
satisfazerem os seus requisitos de formação de pontes de hidrogênio na 
bicamada lipídica seria arranjar as múltiplas fitas de cadeias polipeptídicas 
transmembrana em folhas β pregueadas organizadas em cilindro fechados, 
os chamados barris β.
Alguns Barris β Formam Grades Canais Transmembrana
As proteínas que formam barris β são abundantes na membrana externa 
das mitocôndrias, dos cloroplastos e de muitas bactérias. São proteínas 
formadoras de poros, gerando canais contendo água que permitem que 
determinados solutos hidrofílicos atravessem a bicamada lipídica da 
membrana externa bacteriana.
Nem todas as proteínas de barril β são proteínas de transporte. Algumas 
formam barris menores que são completamente preenchidos por cadeias 
laterais de aminoácidos que se projetam para o centro do barril. Essas 
proteínas funcionam como receptores ou como enzimas, nesses casos, o 
barril é utilizado principalmente como uma âncora rígida que mantém a 
proteína ligada à membrana e orienta as regiões das alças citosólicas que 
formam os sítios de ligação para moléculas intracelulares especificas.
A grande maioria das proteínas de membrana multipassagem das células 
eucariotas é formada por α hélices transmembrana. As hélices dessas 
proteínas podem deslizar umas sobre as outras, permitindo que a proteína 
sofá modificações conformacionais que podem ser utilizadas para abrir e 
fechar canais iônicos, transportar solutos ou transduzir sinais extracelulares 
para intracelulares. Nas proteínas com barris β se encontra rigidamente 
ligada às adjacentes por pontes de hidrogênio, tornando improváveis as 
modificações conformacionais do próprio barril.
Muitas Proteínas de Membrana São Glicosiladas
A grande maioria das proteínas transmembrana em células animais é 
glicosilada. Como nos glicolipídeos, os resíduos de açúcar são adicionados 
no lúmen do ER e do aparelho de Golgi. Por isso, as cadeias 
oligossacarídeos estão geralmente presentes no lado não-citosólico da 
membrana.
As Proteínas de Membrana Freqüentemente Funcionam Como 
Grandes Complexos
Algumas proteínas de membrana funcionam como parte de complexos de 
multicomponentes. As proteínas de membrana são freqüentemente 
organizadas em grandes complexos não somente para captar varias formas 
de energia, mas também para converter sinais extracelulares em sinais 
intracelulares.
Muitas Proteínas de Membrana Difundem-se No Plano da Membrana
Como os lipídeos da membrana, as proteínas de membrana não saltam (flip-
flop) através da bicamada lipídica, mas rotam em torno de um eixo 
perpendicular ao plano da bicamada. Alem disto, muitas proteínas de 
membrana são capazes de mover-se lateralmente dentro da membrana 
(difusão lateral).
As Células Podem Confirmar Proteínas e Lipídeos em Domínios 
Específicos de Uma Membrana
Muitas células são dotadas de mecanismos para confirmar as proteínas de 
membrana em domínios específicos de uma bicamada lipídica continua. Em 
células epiteliais, como as que revestem o intestino, algumas enzimas e 
proteínas de transporte da membrana plasmática estão confinadas à 
superfície apical das células, enquanto outras estão confinadas às 
superfícies basal e lateral. Essa distribuição assimétrica das proteínas de 
membrana é freqüentemente essencial para o funcionamento do epitélio. A 
composição de lipídeos desses dois domínios de membrana também é 
diferente, demonstrando que as células epiteliais podem prevenir a difusão 
de lipídeos tanto quanto a de moléculas protéicas entre os domínios.
É sabido que as células têm muitas maneiras de mobilizar as suas proteínas 
de membrana, por exemplo, uma forma mais comum de restringir a 
mobilidade lateral de determinadas proteínas de membrana é 
prendendo0as a conjuntos de macromoléculas tanto dentro como fora da 
célula.
A Superfície da Célula É Revestida com Resíduos de Açúcares
As proteínas da membrana plasmática, como regra, não se projetam como 
tal para o exterior da célula. Elas estão normalmente associadas a 
carboidratos, que recobrem a superfície de todas as células eucarióticas. 
Estes carboidratos são encontrados como cadeias de oligossacarídeos 
ligadas covalentemente às proteínas (glicoproteínas) e a lipídeos 
(glicolipídeos).
O termo revestimento celular ou glicocálice é freqüentemente utilizado para 
descrever a zona rica em carboidratos da superfície da célula. Uma provável 
função do revestimento celular é a de proteger as células contra danos 
mecânicos e químicos e manter objetos estranhos e outras células a 
distancia, prevenindo interações proteínas-proteína indesejáveis. 
Resumo
Enquanto a bicamada lipídica determina a estrutura básica das membranas 
biológicas, as proteínas são responsáveis pela maioria das funções das 
membranas, servindo como receptores específicos, enzimas, proteínas 
transportadoras, e assim por diante. Muitas proteínas de membrana se 
estendem através da bicamada lipídica. Em algumas destas proteínas 
transmembrana, a cadeia polipeptídica travessa a bicamada como uma 
única α hélice (proteínas de passagem única). Em outras, incluindo aquelas 
que responsáveis pelo transporte transmembrana de íons e de outras 
pequenas moléculas solúveis em água, a cadeia polipeptídica travessa a 
bicamada múltiplas vezes – seja como uma serie de α hélices seja como 
uma folha β pregueada na forma de um barril fechado (proteínas 
multipassagem). Outras proteínas associadas à membrana não atravessam 
a bicamada, mas em vez disso, estão ligadas a um dos lados da membrana.
Como as moléculas de lipídios na bicamada, muitas proteínas de membrana 
são capazes de difundir-se rapidamente no plano da membrana. Porém as 
células são dotadas de formas de imobilizar proteínas especificas de 
membrana e de confirmar tanto as proteínas de membrana quanto as 
moléculas de lipídeos em domínios particulares em umabicamada continua. 
Supõe-se que o resultante revestimento de açúcares proteja a superfície da 
célula contra danos mecânicos e químicos.