[BIOCEL] Membrana plasmática

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CARACTERÍSTICAS GERAIS DA MEMBRANA PLASMÁTICA
A membrana plasmática circunda a célula, define seus limites e mantém as diferenças essenciais entre o citosol e o ambiente extracelular. No interior das células eucarióticas, as organelas circundadas por membranas mantém as diferenças características entre o conteúdo de cada organela e o citosol.
Funções:
Proteção
Regulação do transporte para dentro e fora das células
Permite a recepção seletiva e a transdução de sinais
Reconhecimento celular
Ponto de ancoragem para elementos do citoesqueleto e outros elementos extracelulares
Compartimentalização de domínios subcelulares e microdomínios
Formam junções especializadas que permitem a adesão e a comunicação celular
Sítios de ação enzimática e sinalização
Permite o movimento direto da célula e de organelas
A BICAMADA LIPÍDICA
Fosfoglicerídeos, esfingolipídeos e esteroides são os principais lipídeos das membranas celulares
Todas as moléculas lipídicas da membrana plasmática são anfifílicas, isto é, possuem uma extremidade hidrofóbica e uma extremidade hidrofílica.
Os lipídeos mais abundantes da membrana são os fosfolipídeos. Eles possuem um grupamento polar e duas caudas de hidrocarbonos hidrofóbicas. Tipicamente, uma cauda possui uma ou mais ligações duplas em cis enquanto a outra não possui esta ligação. Diferenças no comprimento e na saturação das caudas e dos ácidos graxos influenciam como as moléculas fosfolipídicas encaixam-se umas contra as outras, afetando a fluidez da membrana.
Os principais fosfolipídeos da maioria das membranas das células animais são fosfoglicerídeos, os quais possuem uma estrutura central de glicerol de três carbonos. A fosfatidiletanolamina, a fosfatidilserina e a fosfatidilcolina são os principais fosfoglicerídeos das membranas das células de mamíferos.
Outro fosfolipídeo importante, denominado esfingomielina, é composto por esfingosina ao invés de glicerol.
Além dos fosfolipídeos, a bicamada de muitas membranas celulares contém colesterol e glicolipídeos. A membrana plasmática eucariótica animal contém grandes quantidades de colesterol. Ele contém uma estrutural em anel rígida a qual se liga a um único grupo hidroxila polar e a uma pequena cadeia de hidrocarbono apolar. As moléculas de colesterol orientam-se na bicamada, auxiliando na estruturação da membrana.
Os fosfolipídeos formam bicamadas espontaneamente
As moléculas lipídicas agregam-se espontaneamente mergulhando suas caudas hidrofóbicas de hidrocarbonos no interior e expondo suas cabeças hidrofílicas na água. Dependendo de sua forma, elas podem fazer isso de duas maneiras: podem formar micelas esféricas com as caudas para dentro ou formar folhas de camadas duplas ou bicamada, com as caudas hidrofóbicas para o interior entre as cabeças hidrofílicas.
As moléculas de fosfolipídeos, por serem cilíndricas, formam bicamadas espontaneamente em ambientes aquosos. As mesmas forças que fazem com que os fosfolipídeos formem uma bicamada também proporcionam uma propriedade de autosselamento. Uma pequena fenda na bicamada cria uma borda livre em contato com a água e, devido ao fato de serem energeticamente desfavoráveis, os lipídeos tendem a se rearranjar espontaneamente para eliminar a borda livre. A proibição de bordas livres tem profundas consequências: a única forma de uma bicamada evitar a existência de bordas é pelo fechamento sobre si mesma, formando um compartimento fechado.
A bicamada lipídica é um fluido bidimensional
As moléculas raramente migram de um lado para outro da monocamada. Este processo, denominado flip-flop, ocorre menos de uma vez por mês em cada molécula, embora o colesterol seja exceção a essa regra e possa realizar o flip-flop rapidamente. Por outro lado, moléculas lipídicas trocam de lugar rapidamente com suas moléculas vizinhas dentro de uma mesma monocamada. As moléculas lipídicas também giram rapidamente ao redor de seu eixo maior e suas moléculas de hidrocarbonos são flexíveis.
Moléculas individuais de fosfolipídeos normalmente estão confinadas a sua própria monocamada. Este confinamento cria um problema para sua síntese. As moléculas de fosfolipídeos são manufaturadas em apenas uma camada de uma membrana, principalmente na monocamada citosólica da membrana do RE. Se nenhuma dessas moléculas recém-formadas migra imediatamente para a monocamada não-citosólica, não poderá ser formada uma nova bicamada lipídica. O problema pode ser resolvido por uma classe especial de enzimas transmembrana denominadas translocadoras de fosfolipídeos, as quais catalisam o rápido flip-flop dos fosfolipídeos de uma camada para outra.
A fluidez da bicamada lipídica depende de sua composição
A fluidez de uma bicamada lipídica depende de sua composição e temperatura. Uma bicamada sintética feita de um único tipo de fosfolipídeo muda do estado líquido para um estado cristalino rígido bidimensional em um ponto de congelamento característico. Esta mudança de estado é denominada transição de fase, e a temperatura na qual isso ocorre é mais baixa (isto é, a membrana torna-se mais difícil de congelar) se as cadeias de hidrocarbonetos forem curtas ou possuírem pontes duplas. Uma cadeia curta reduz a tendência das caudas de hidrocarbonos de interagirem umas com as outras, na mesma camada ou na monocamada oposta, e as pontes duplas cis produzem torções nas cadeias de hidrocarbonos que as tornam mais difíceis de se agruparem, de modo que a membrana torna-se mais fluida a baixas temperaturas.
O colesterol modula as propriedades da bicamada lipídica. Quando misturado com fosfolipídeos, aumenta a propriedade de barreira permeável da bicamada lipídica. Seus rígidos anéis esteroides interagem e parcialmente imobilizam aquelas regiões de hidrocarbonos próximas aos grupos de cabeças polares. Assim, o colesterol torna a bicamada lipídica menos deformável nesta região, reduzindo a permeabilidade da bicamada a pequenas moléculas solúveis em água. Às altas concentrações, o colesterol também impede que as cadeias de hidrocarbonos agrupem-se e cristalizem.
Os inositol fosfolipídeos estão presentes em pequenas quantidades na membrana, mas desempenham funções cruciais guiando o tráfego da membrana e na sinalização celular. Sua síntese e destruição local são reguladas por um grande número de enzimas as quais criam pequenas moléculas de sinalização intracelular e sítios de ancoramento lipídicos nas membranas que recrutam proteínas específicas do citosol.
Apesar de sua fluidez, as bicamadas lipídicas podem formar domínios de composições distintas
Espera-se que a maioria dos tipos de moléculas lipídicas esteja distribuída ao acaso na própria monocamada devido ao fato de ser uma bicamada lipídica fluida bidimensional. Entretanto, em certas misturas lipídicas, diferentes lipídeos podem agrupar-se transientemente, criando uma rede dinâmica de diferentes domínios.
Balsas lipídicas: domínios especializados em que as moléculas lipídicas da membrana plasmática das células animais se reúnem de forma transiente.
Certas regiões especializadas da membrana plasmática são enriquecidas de esfingolipídeos e colesterol e acredita-se que proteínas específicas se reúnam nestas regiões para auxiliar na estabilização das balsas lipídicas. Os domínios das balsas são mais espessos do que as outras partes das bicamadas e acomodam mais adequadamente certas proteínas de membrana, pois as cadeias de hidrocarbonos dos esfingolípideos são mais longas e retas do que as de outras membranas lipídicas. Assim, a segregação lateral de proteínas e lipídeos no domínio das balsas irá, em princípio, ser um processo mutuamente estabilizador. Dessa forma, as balsas lipídicas podem auxiliar a organizar as proteínas da membrana concentrando-as para o transporte em membranas de vesículas ou para trabalharem juntas na reunião das proteínas, quando convertem sinais extracelulares em intracelulares.
A assimetria da bicamada lipídica é funcionalmente importante
A assimetria lipídica é funcionalmente importante, especialmentena conversão de sinais extracelulares em sinais intracelulares. Muitas proteínas citosólicas se ligam a grupos de cabeças lipídicas específicos encontrados na monocamada do citosol da bicamada lipídica. A enzima proteína-cinase C, por exemplo, é ativada em resposta a vários sinais extracelulares. Ela se liga à porção citoplasmática da membrana plasmática onde a fosfatidilserina está concentrada e requer este fosfolipídeo negativamente carregado para sua atividade.
Alguns sinais extracelulares ativam a cinase PI-3, a qual fosforila os fosfolipídeos inositol criando sítios de ancoramento para várias proteínas de sinalização intracelular.
Alguns sinais extracelulares ativam as fosfolipases que clivam os fosfolipídeos inositol, produzindo fragmentos que auxiliam a liberação do sinal para a célula.
Os animais exploram a assimetria dos fosfolipídeos de sua membrana plasmática para distinguir entre células vivas e células mortas. Quando uma célula animal sofre apoptose, a fosfatidilserina, a qual normalmente está confinada à monocamada citosólica da bicamada lipídica da membrana plasmática, rapidamente se transloca para a monocamada extracelular. A fosfatidilserina exposta na superfície celular sinaliza para as células vizinhas para fagocitar e digerir a célula morta. Acredita-se que essa translocação ocorra por meio de dois mecanismos:
- inativação do translocador de fosfolipídeo, que normalmente transporta este lipídeo da monocamada não-citosólica para a monocamada citosólica.
- ativação da scramblase, que transfere os fosfolipídeos de forma inespecífica nas duas direções entre as duas monocamadas.
Os glicolipídeos são encontrados na superfície de todas as membranas plasmáticas
Moléculas lipídicas que contêm açúcar, denominadas glicolipídeos, encontradas exclusivamente na monocamada não-citosólica da bicamada lipídica, possuem a simetria mais exagerada em sua distribuição na membrana. Nas células animais, elas são constituídas de esfingosina, exatamente como a esfingomielina. A distribuição assimétrica dos glicolípideos na bicamada resulta da adição de grupos açúcares às moléculas lipídicas no lúmen do aparelho de Golgi. Assim que são liberados na membrana plasmática, os grupos de açúcares são expostos na superfície celular, onde desempenham importantes papéis nas interações da célula com a vizinha.
Sugestões com relação à função dos glicolipídeos provêm de sua localização. Na membrana plasmática das células epiteliais, por exemplo, os glicolipídeos estão confinados na superfície apical exposta, onde podem auxiliar a proteger a membrana contra as severas condições frequentemente ali encontradas. Glicolipídeos carregados, como gangliosídeos, podem ser importantes devido aos seus efeitos elétricos. Sua presença altera o campo elétrico através da membrana e a concentração de íons, principalmente Ca2+, na superfície da membrana. Acredita-se que os glicolipídeos também atuem nos processos de reconhecimento celular, nos quais as proteínas ligadoras de carboidratos ligadas à membrana (lecitinas) se ligam aos grupos de açúcares de glicolipídeos e glicoproteínas no processo de adesão célula-célula.
PROTEÍNAS DE MEMBRANA
As proteínas de membrana podem se associar à bicamada lipídica de várias maneiras
As proteínas transmembrana são anfifílicas, possuindo uma região hidrofóbica e outra hidrofílica. Suas regiões hidrofóbicas passam pela membrana e interagem com as caudas hidrofóbicas das moléculas lipídicas do interior da bicamada, onde são mantidas fora da água. Suas regiões hidrofílicas estão expostas à água nos dois lados da membrana. A ligação covalente da cadeia de ácidos graxos que se inserem na monocamada citosólica da bicamada lipídica aumenta a hidrofobicidade de algumas dessas proteínas transmembrana.
Outras proteínas estão localizadas inteiramente no citosol e estão associadas à monocamada citosólica da bicamada lipídica, tanto por uma hélice α anfifílica exposta na superfície da proteína quanto por uma ou mais cadeias lipídicas covalentemente ligadas. Ainda, outras proteínas de membrana estão inteiramente expostas na superfície celular externa, ligadas à bicamada lipídica somente por uma ligação covalente aos fosfatidilinositol da monocamada lipídica externa da membrana plasmática.
As proteínas ligadas aos lipídeos são constituídas de proteínas solúveis no citosol e estão subsequentemente ancoradas às membranas por uma ligação covalente a um grupo lipídico. Entretanto, algumas proteínas são constituídas de proteínas que passam uma única vez pela membrana, produzidas no RE. Enquanto ainda no retículo, o segmento transmembrana da proteína é clivado e um ancoramento de glicosilfosfatidilinositol é adicionada, deixando a proteína ligada à superfície não-citosólica da membrana somente por este ancoramento. As vesículas de transporte eventualmente levam as proteínas para a membrana plasmática. Proteínas ligadas à membrana plasmática por um ancoramento de GPI podem ser facilmente distinguidas pelo uso de uma enzima denominada fosfolipase C específica para o fosfatidilinositol. Essa enzima separa as proteínas de seus ancoramentos, liberando-os da membrana.
As proteínas periféricas da membrana não se estendem para a porção hidrofóbica da bicamada lipídica; ao invés disso, elas ficam ligadas a uma das superfícies por interações não-covalentes com outras proteínas de membrana. Já as proteínas integrais da membrana, como proteínas transmembrana, são mantidas na bicamada lipídica por grupos lipídicos ou regiões de polipeptídeos hidrofóbicos que se inserem no centro hidrofóbico da bicamada lipídica.
Os ancoramentos de lipídeos controlam a localização de algumas proteínas de sinalização na membrana
Proteínas que atuam em um único lado da bicamada lipídica com frequência estão associadas exclusivamente a um dos lados da monocamada lipídica ou a um domínio de proteína daquele lado. Algumas proteínas de sinalização intracelular, por exemplo, estão ligadas à porção do citosol da membrana plasmática por um ou mais grupos lipídicos ligados covalentemente. A ligação à membrana (no caso dos membros da família Src), através de um único ancoramento de lipídeos, não é muito forte, então um segundo grupo lipídico frequentemente é adicionado, ancorando a proteína mais firmemente à membrana.
Muitas proteínas de membrana difundem-se no plano da membrana
Como a maioria dos lipídeos da membrana, as proteínas de membrana não saltam (flip-flop) através da bicamada lipídica, mas giram sobre um eixo perpendicular ao plano da bicamada (difusão rotacional). Além disso, muitas proteínas de membrana são capazes de se mover lateralmente dentro da membrana (difusão lateral). A primeira evidência direta de que algumas proteínas de membrana plasmática se movem no plano da membrana é decorrente de um experimento com células de camundongos artificialmente fusionadas com células humanas para produzir uma célula híbrida. As proteínas de camundongo e humanas, inicialmente confinadas às suas próprias metades da membrana plasmática do heterocátion recém-formado, misturam-se com o tempo.
As células podem confinar proteínas e lipídeos em domínios específicos em uma membrana
Muitas células confinam as proteínas de membrana em regiões específicas da bicamada lipídica contínua.
Em células epiteliais, como aquelas que revestem o intestino ou os túbulos renais, determinadas enzimas e proteínas de transporte de membrana plasmática estão confinadas na superfície apical da célula, enquanto outras estão confinadas na superfície lateral e basal. Esta distribuição assimétrica das proteínas de membrana frequentemente é essencial para as funções do epitélio. A composição de lipídeos desses dois domínios de membrana também é diferente, demonstrando que as células epiteliais podem impedir a difusão dos lipídeos e de moléculas de proteína entre os domínios.
Algumas das moléculas da membrana são capazes de se difundir livremente dentro dos limites do seu próprio domínio. A natureza molecular da “barreira” que impedeque as moléculas deixem seus domínios não é conhecida. Várias outras células possuem barreiras similares na membrana que restringem a difusão das proteínas de membrana em determinados domínios da membrana.