Membranas Biológicas - Resumo Lehninger

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Membranas Biológicas
Provavelmente a primeira célula se surgiu quando a primeira membrana se formou e englobou um pequeno volume de solução aquosa separando-a do restante do universo.
As membranas definem o limite interno e externo das células e regulam o trânsito molecular e iônico. Em células eucarióticas, elas também dividem o espaço em compartimentos discretos separando os componentes e processos distintos entre si.
Elas organizam sequencias de reações complexas e são essenciais tanto para a conservação de energia quanto para a comunicação entre as células.
As membranas são flexíveis, auto-selantes e seletivamente permeáveis a produtos polares.
A flexibilidade permite as alterações da forma que acompanham o crescimento celular e a movimentação.
Com a habilidade de romper e se auto-selar, duas membranas podem fundir-se (como na exocitose), ou um compartilhamento envolto por membrana pode sofrer fissão produzindo dois compartilhamentos selados (com na divisão celular).
Como a permeabilidade das membranas é seletiva, elas podem reter certos compostos e íons dentro das células e de compartimentos intracelulares específicos, enquanto também podem excluir substancias desses locais.
As membranas incluem um conjunto de proteínas especializadas na promoção ou na catalise de uma variedade de processos celulares.
Na superfície celular, transportadores conduzem solutos orgânicos específicos e íons inorgânicos através da membrana. Receptores identificam sinais extracelulares e desencadeiam alterações moleculares na célula. Moléculas de adesão mantem juntas células vizinhas.
No interior das células, as membranas organizam processos celulares como síntese de lipídios e de certas proteínas, e as transduções de energias nas mitocôndrias e cloroplastos. 
Pelo fato de colisões intermoleculares serem muito mais prováveis no espaço bidimensional (bicamada) do que no tridimensional, a eficiência dos processos catalisados por enzimas nas membranas apresenta-se muito aumentado.
· Composição
Há componentes principais que são comuns a todas as membranas, mas há também componentes que são exclusivos de membranas com funções específicas.
Os principais componentes moleculares das membranas são: as proteínas e lipídios polares, que correspondem por quase toda a massa das membranas biológicas, e os carboidratos, presente como parte de glicoproteínas e glicolipídeos.
As proporções relativas das proteínas e lipídios variam com cada tipo de membrana, além de que cada tipo de membrana possui lipídios e proteínas características, e refletem a diversidade dos papeis biológicos de cada um.
· Propriedades fundamentais 
As membranas são impermeáveis à maioria dos solutos polares ou eletricamente carregados, mas são permeáveis a compostos não-polares.
Em função de sua permeabilidade e mobilidade individual das moléculas de proteínas e lipídios dentro da membrana, levou-se ao desenvolvimento do modelo de mosaico fluido. A ideia de mosaico fluido é pelo fato de as interações entre seus componentes serem não-covalentes, deixando as moléculas individuais dos lados dos lipídios e das proteínas livres para se movimentarem lateralmente no plano da membrana, ou seja, as subunidades lipídicas e proteicas formam um mosaico cuja a disposição é livre para se alterar constantemente.
No modelo de mosaico fluido as cadeias graxas no interior da membrana formam uma regiam hidrofóbica fluida, as proteínas integrais de membrana flutuam nesse mar de lipídios presas pelas interações hidrofóbicas estabelecidas pelas cadeias laterais dos seus aminoácidos não-polares, tanto as proteínas quanto os lipídios são livres para se movimentares lateralmente no plano da bicamada, mas é restrita a movimentação de uma face da bicamada para a outra, as porções de carboidrato ligadas a algumas proteínas e lipídios da membrana plasmática estão expostas na face extracelular da membrana.
Os fosfolipídios formam uma bicamada onde as regiões não-polares dessas moléculas, em cada uma das suas faces, estão orientadas para o centro da bicamada e os grupos polares para o exterior, interagindo com a fase aquosa de ambos os lados.
Moléculas de proteínas estão incrustadas nessa estrutura trilaminar, mantidas por interações hidrofóbicas entre os lipídios da membrana e dos domínios hidrofóbicos da proteína. Algumas proteínas fazem protuberância em apenas um dos lados da membrana, outras possuem domínios expostos dos dois lados.
Considerando as faces da membrana, a orientação das proteínas na bicamada é assimétrica dando a ela lados diferentes: os domínios proteicos expostos em um lado da bicamada são diferentes daqueles expostos do outro lado, refletindo a assimetria funcional.
· Bicamada lipídica
Glicerofosfolipídios, esfingolipídios e esteróis são praticamente insolúveis em água. Quando misturados com ela, formam espontaneamente agregados lipídicos microscópicos, criando uma fase separada de sua vizinha aquosa, as moléculas se agrupam em funções hidrofóbicas justapostas e com seus grupos hidrofílicos interagindo com a água. As interações hidrofóbicas entre as moléculas de lipídios fornecem energia termodinamicamente necessária para a formação e a manutenção desses agregados.	Comment by Milena: A agregação das moléculas lipídicas reduz a superfície hidrofóbica exposta à agua e isso minimiza o número de moléculas da camada de água organizada na interface água-lipídio, resultando em aumento da entropia.
As membranas biológicas são constituídas de uma bicamada de lipídios com moléculas de proteínas projetando-se para cada lado. O centro hidrocarbônico da membrana, constituído por grupos –CH2 e –CH3 pertencentes aos grupos acila graxos é quase tão não polar quanto o hidrocarboneto decana.
Os lipídios da membrana plasmática são distribuídos assimetricamente entre as duas monocamadas, embora a assimetria, diferente das proteínas de membrana, não seja absoluta. Mudanças na distribuição dos lipídios entre as monocamadas da membrana tem consequências biológicas.	Comment by Milena: Pode ser assimétrico no tipo de lipídio de cada lado, como na membrana plasmática dos eritrócitos, lipídios contendo colina (fosfatidilcolina e esfingomielina) são encontrados na monocamada externa, enquanto fosfatidilserina, fosfatidiletanolamina e fosfatidilinositóis são muito mais comuns na monocamada interna.	Comment by Milena: Como, somente quando a fosfatidilserina da membrana plasmática se move para a monocamada externa de uma plaqueta que essa pode exercer sua função na formação do coágulo sanguíneo. Também, em muitos tipos celulares, a exposição da fosfatidilserina na superfície externa da membrana marca uma célula para sua destruição por meio da morte celular programada;
Quando lipídios anfipáticos são misturados com a agua, eles podem formar três tipos de agregados:
- Micelas: são estruturas esféricas arranjadas com suas regiões hidrofóbicas agregadas no seu interior, de onde a agua é excluída, e com seus grupos-cabeça hidrofílicos na superfície em contato com a agua. A formação de micelas é favorecida quando a área transversal dos grupos carregados for maior que a(s) cadeia(s) acila lateral(is).	Comment by Milena: Formada principalmente de ácidos graxos.
- Bicamada: duas monocamadas de lipídios formam uma lamina bidimensional. A formação da bicamada ocorre mais facilmente quando as áreas transversais dos grupos-cabeça e das cadeias acila laterais são semelhantes. As porções hidrofóbicas em cada monocamada, excluídas da agua, interagem entre si. Os grupos hidrofílicos interagem com a agua em ambas as superfícies da bicamada.	Comment by Milena: Como no Glicerofosfolipídios e esfingolipídios.
Pelo fato de as regiões hidrofóbicas nas suas margens estarem transitoriamente em contato com a agua, a lamina em bicamada é relativamente instável e espontaneamente formam outro tipo de agregado.
-Vesículas/Lipossomos: se formam a partir da formação de uma dobra de uma bicamada sobre si mesma, para formar uma esfera oca. Formando vesículas, as bicamadas perdem suas regiões hidrofóbicas marginais e alcançam estabilidadeem ambiente aquoso. Estas vesículas envolvem a água e, assim criam um compartimento aquoso separado. 
· Tipos de proteínas de membrana
Podem ser divididas em dois grupos:
-Proteínas integrais: são firmemente associadas com a membrana e são removíveis apenas pelo uso de agentes que interferem com as interações hidrofóbicas. Esta firme ligação é resultado de interações hidrofóbicas entre os lipídios de membrana e os domínios hidrofóbicos da proteína.	Comment by Milena: Como detergentes, solventes orgânicos ou desnaturantes.	Comment by Milena: As interações hidrofóbicas entre os aminoácidos não-polares e as cadeias acila laterais dos lipídios da membrana ancoram firmemente a proteína na membrana.
As proteínas integrais são mantidas na membrana por interações hidrofóbicas com lipídios.
Algumas proteínas possuem uma sequência hidrofóbica única no meio da molécula ou nas extremidades amino ou carboxila, outras possuem sequencias hidrofóbicas múltiplas, cada uma suficiente longa para atravessar a bicamada lipídica quando na conformação em α-hélice.
A presença de longas sequencias hidrofóbicas em uma proteína de membrana é comumente considerada como evidencia de que essas sequencias atravessam a bicamada lipídica e atuam como ancoras hidrofóbicas ou formam canais transmembrana. Praticamente todas as proteínas integrais possuem pelo menos uma dessas sequencias.
Uma cadeia polipeptídica envolta por lipídios, não possuindo moléculas de água com as quais possa formar pontes de hidrogênio, tende a formar α-hélices ou folhas β, em que o número de pontes de hidrogênio entre as cadeias é no máximo ou próximo disso. Se as cadeias laterais de todos os aminoácidos de uma hélice são não-polares, as interações hidrofóbicas com os lipídios circundantes estabilizam ainda mais a estrutura.
As proteínas integrais desempenham funções em muitos outros processos celulares. Elas funcionam com transportadoras e como canais iônicos e como receptoras para hormônios, neurotransmissoras e fatores de crescimento. Elas são centrais em processos como a fosforilação oxidativa e a fotossíntese e o reconhecimento célula-célula e célula-antígeno no sistema imune. 
Também são atores principais na fusão de membranas que acompanha a exocitose, a endositose e a entrada de muitos tipos de vírus nas células hospedeiras.
- Integrinas: são proteínas heterodiméricas (com duas subunidades diferentes, α e β) ancoradas à membrana plasmática por uma única hélice hidrofóbica transmembrana em cada subunidade. Os grandes domínios extracelulares das subunidades α e β combinam-se para formar um sitio de ligação específico para proteínas extracelulares, tais como o colágeno e a fibronectina. Como existem pelo menos 14 subunidades α diferentes e pelo menos oito subunidades β diferentes, pode ser gerada uma grande variedade de especificidades pelo emprego de várias combinações das diferentes subunidades α e β. Um determinante comum da ligação da integrina a vários de seus parceiros extracelulares é a sequência Arg-Gly-Asp.
As integrinas não são apenas adesivas, funcionam como receptores e transportadores de sinais que carreiam informações através da membrana plasmática e em ambas direções. Elas regulam muitos processos, incluindo agregação de plaquetas sanguíneas no local de uma ferida, a reparação tecidual, as atividades das células imunológicas e a invasão de tecidos por tumores. 
- Caderinas: também estão envolvidas no processo de adesão da superfície celular. Sofrem interações homofílicas com caderinas idênticas em uma célula adjacente.	Comment by Milena: Com a mesma espécie.
- Selectina: além de também estarem envolvidas no processo de adesão celular, possuem domínios extracelulares que, na presença de Ca+, ligam-se a polissacarídios específicos na superfície de uma célula adjacente. Estão presentes principalmente nos vários tipos de células sanguíneas e nas células endoteliais que forram os vasos sanguíneos, sendo parte essencial nos processos de coagulação de sangue.
-Proteínas periféricas: se associam com as membranas por meio de interações eletrostáticas e pontes de hidrogênio que estabelecem com os domínios hidrofílicos das proteínas integrais e com os grupos-cabeça polares dos lipídios de membrana. Elas podem ser liberadas por tratamentos relativamente brandos que interferem com as interações eletrostáticas ou que quebram pontes de hidrogênio.	Comment by Milena: Um agente comumente empregado pra isso é o carbonato em pH alto.
As proteínas periféricas podem funcionar como reguladoras de enzimas ligadas a membranas ou limitar a mobilidade de proteínas integrais fazendo a ligação delas com estruturas intracelulares.
· Lipídios ancoram proteínas de membrana
Algumas proteínas de membrana possuem um ou mais lipídios de vários tipos ligado de formas covalentes. Esses lipídios atuam como ancoras hidrofóbicas que se inserem dentro da bicamada de lipídios e mantem a proteína na superfície da membrana.
A força de interação hidrofóbica entre a bicamada e uma única cadeia hidrocarbonada ligada a uma proteína é apenas suficiente para ancorar a proteína de maneira firme, mas muitas proteínas têm mais que uma dessas cadeias lipídicas. Outras interações, como atrações iônicas entre as cargas positivas de resíduos carregados de lisina da proteína e cargas negativas de grupos-cabeça de lipídios, provavelmente ajudam a estabilizar a ligação.
A associação dessas proteínas ligadas a lipídios com a membranas é certamente mais fraca que aquelas das proteínas integrais de membrana, e é, pelo menos em alguns casos reversível.
Além de apenas ancorar uma proteína de membrana, o lipídio de ligação pode ter um papel mais especifico. → Na membrana plasmática, proteínas com ancora GPI estão exclusivamente na face externa e confinadas no interior de agregados, enquanto outro tipos de proteínas ligadas a lipídios são encontrados exclusivamente na face interna. Assim, a ligação de um determinado lipídio em uma proteína de membrana recém-sintetizada tem a função de endereçamento dirigindo a proteína para seu local correto na membrana.	Comment by Milena: Derivados glicosilados do fosfatidilinositol
Mesmo dentro de um único folheto, a distribuição dos lipídios não é ao acaso. Glicoesfingolipídios, que tipicamente contêm ácidos graxos de cadeia longa e saturada, formam agregados transitórios na monocamada externa, que, em grande medida, excluem os gliceroesfingolipídios que tipicamente possuem um grupo acila graxo insaturado e um grupo acila graxo saturado e menor. Os grupos acila dos esfingolipídios, longos e saturados, podem formar associações mais compactas e mais estáveis com o longo sistema em anel do colesterol do que são capazes com as cadeias dos fosfolipídios, mais curtas e frequentemente insaturadas.
Os microdomínios do colesterol e esfingolipídios na monocamada externa da membrana plasmática são ligeiramente mais espessos e mais ordenados, menos fluidos, que os microdomínios vizinhos ricos em fosfolipídios e mais difíceis de serem dissolvidos com detergentes não-iônicos, eles se comportam como balsas líquido-ordenadas de esfingolipídios à deriva em um oceano líquido-desordenado de fosfolipídios. Essas balsas são notavelmente numerosas em proteínas integrais de membranas, aquelas ancoradas à membrana por duas cadeias longas e saturadas de ácidos graxos covalentemente ligadas à proteína, e aquelas constituídas por proteínas ancoradas por GPI. Essas âncoras lipídicas, da mesma forma que as cadeias acila dos esfingolipídios, formam mais associações com o colesterol e grupos acila longos na balsa do que com os fosfoesfingolipídios circulantes. Outras proteínas ligadas a lipídios, aquelas ligadas de maneira covalente a grupos isoprenil, não estão associadas preferencialmente com o folheto externo das balsas de esfingolipídios e colesterol. As proteínas de membrana para mover-se para dentro e para fora das balsas lipídicas em segundos. Para um processo que envolva a interação de duas proteínas de membrana, sua presença em uma única balsa aumentaria fortemente a probabilidade colisãoentre elas. Alguns receptores de membranas e proteínas sinalizadoras, por exemplo, parecem ser segregados juntos em balsas da membrana.	Comment by Milena: Associações estáveis de esfingolipídios e colesterol no folheto externo produzem microdomínio, pouco mais espesso que outras regiões da membrana e enriquecido com tipos específicos de proteínas de membrana. Proteínas unidas a GPI são comumente encontradas no folheto externo dessas balsas. Proteínas, com um ou vários grupos acila de cadeia longas ligados de forma covalente, são comuns no folheto interno.
A caveolina é uma proteína integral de membrana com dois domínios globulares unidos por um único domínio hidrofóbico em forma de grampo de cabelo, esse domínio une a proteína ao folheto citoplasmático de membrana plasmática. Três grupos de palmitoil ligados ao domínio carboxilaterminal globular fornecem ancoragem adicional da proteína na membrana. Ela prende o colesterol na membrana e sua presença força a bicamada a curvar-se para dentro formando pequenas cavernas, chamadas caveolae, na superfície da célula. Elas são balsas incomuns, envolvem dois folhetos da bicamada, o folheto citoplasmático, a partir de onde os domínios globulares da caveolina se projetam, e o folheto exoplasmático, uma balsa típica de esfingolipídio/colesterol associados a proteínas ancoradas com GPI. Também estão implicadas em variadas funções celulares, tais como tráfego para o interior das células e a transdução de sinais externos nas respostas celulares adequadas. Os receptores para a insulina e outros fatores de crescimento, assim como certas proteínas que ligam-se ao GTP e quinases de proteínas associadas com a sinalização transmembrana, parecem estar localizados em balsas e talvez, em caveolae.	Comment by Milena: A caveolina é frequentemente em balsas curvadas para o interior da caveolae. Proteínas que possuem grupos prenila ligados tendem a ser excluídas das balsas.
· Dinâmica das membranas
Embora a estrutura da bicamada seja bastante estável, suas moléculas de fosfolipídios e de esteróis exibem alguma liberdade de movimentação. Uma característica de todas as membranas biológicas é a flexibilidade, sua habilidade em mudar sua forma sem perder sua integridade e sem permitir vazamento. Esta propriedade tem como base as interações não-covalentes entre os lipídios da bicamada e os movimentos permitidos às membranas individuais, já que não estão covalentemente ligadas umas às outras.
A estrutura e a flexibilidade da bicamada lipídica dependem da temperatura e da natureza dos lipídios presentes:	Comment by Milena: Entretanto, como as membranas biológicas possuem muitos lipídios com diferentes cadeias acila graxas, elas não exibem mudanças nítidas de fase com variações de temeperatura.
Em temperaturas relativamente baixas, os lipídios foram uma fase gel, chamada de paracristalina, na qual todos os tipos de movimentação das moléculas lipídicas individuais estão fortemente restringidas.
Em temperaturas relativamente altas, as cadeias individuais dos ácidos graxos estão em movimentação continua, produzida pela rotação ao redor das ligações carbono-carbono das longas cadeias laterais, resultando no estado liquido-desordenado, ou também chamado de estado fluido. Neste estado, o interior da bicamada é mais fluido do que sólido e a bicamada é semelhante a um mar de lipídio em constante movimentação.
Em temperaturas intermediárias, os lipídios estão em estado líquido-ordenado, em que há a diminuição da movimentação térmica das cadeias acila da bicamada lipídica, mas ainda ocorre a movimentação lateral dentro da bicamada.
Em temperaturas dentro dos limites fisiológicos, os ácidos graxos ficam bem agrupados em um conjunto líquido-ordenado, mas nos ácidos graxos insaturados as dobras interferem com esse agrupamento, favorecendo o estado liquido-desordenado. Grupos acila com cadeias mais curtas produzem o mesmo efeito.
O conteúdo em esteróis de uma membrana (o qual varia muito dependendo do organismo e da organela considerada) é outro estado determinante importante do estado de agregação de lipídios. 	Comment by Milena: Portanto, a presença de esteróis reduz a fluidez no interior da bicamada, favorece a fase liquida-ordenada e aumenta a densidade da monocamada.
 A estrutura planar rígida do núcleo esteroide, inserido entre as cadeias de acila graxas, reduz a estabilidade daquelas que lhe são vizinhas de se movimentarem por rotação ao redor das ligações carbono-carbono e forçam essas cadeias acila a assumirem sua conformação totalmente estendida.
As células regulam sua composição em lipídios de forma a obter uma fluidez de membrana constante sob diferentes condições de multiplicação.	Comment by Milena: Como por exemplo, as bactérias sintetizam mais dos ácidos graxos insaturados e menos dos saturados quando são cultivadas em temperaturas mais altas. Como resultado desse ajuste da composição lipídica, as membranas das baterias cultivadas em temperaturas maiores ou menores têm quase o mesmo grau de fluidez.
Em relação aos lipídios, o tamanho da cadeia também é um fator importante, pois quanto menor a cadeia, menor será sua interação favorecendo o estado fluido. As saturações da cadeia também influenciam, uma vez que, quanto mais insaturações, menor será as interações favorecendo o estado liquido-desordenado.
· Movimentação de lipídios através da bicamada
A transposição de moléculas lipídicas na bicamada é muito comum. Essa transposição é chamada de movimentação transbicamada ou flip-flop (ponta-cabeça) e requer que um grupo cabeça polar ou carregado deixe seu ambiente aquoso e mova-se para o interior hidrofóbico da bicamada em um processo com variação de energia livre grande e positiva.
A mudanças de uma das monocamadas até a oposta é muito lente. Assim, existem famílias de proteínas que auxiliam esse movimento de forma muito mais rápida:
- Flipase: um tipo de ATPase tipo P, que move PE e PS da lâmina externa para a citosólica. 
- Flopase: transportador ABC, que move fosfolipídios da lâmina citosólica para a externa.
- Flip-flopase: move lipídios nas duas direções para o equilíbrio. 
Moléculas indivíduais de lipídios também podem mover-se lateralmente no plano da membrana trocando de lugar com outras moléculas lipídicas vizinhas. O lipídio difunde lateralmente rapidamente pelo plano da bicamada, e tende a distribuir aleatóriamente, em poucos segundos, as posições das moléculas individuais.
Como os lipídios da membrana, as proteínas são livres para difundir laterlamente no plano da bicamada, e estão em movimento constante. Algumas se associam para formar grandes agregados na superfície de uma célula ou de uma organela , nos quais as moléculas indivíduais dessa proteína não se movemuma em relação às outras.
Outras proteínas de membrana são ancoradas às estruturas internas da bicamada, de maneira a,impedir sua difusão livre.