Lipídeos e Membranas

Transcrição

1 Lipídeos e Membranas

2 Delimitação das células Células são delimitadas por membranas biológicas, que impedem o vazamento de moléculas geradas internamente ou que moléculas indesejadas se difundam para dentro. Além disso, elas possuem sistemas de transporte para captar moléculas desejadas e remover as indesejadas é a propriedade de permeabilidade seletiva.

3 Membranas celulares As membranas celulares são formadas principalmente de lipídeos, mas há circulação de grandes variedades de proteínas. A parte lipídica da camada forma uma barreira de permeabilidade, enquanto as proteínas formam sistemas de transporte e sinalização. Eucariotos possuem também membranas internas para delimitar organelas, como mitocôndrias ou cloroplastos.

4 Propriedades das membranas Membranas são estruturas laminares, com espessura entre 60Å e 100Å. A relação de massas lipídeos/proteínas vai de 1:4 até 4:1. Glicídeos também estão presentes, ligados a eles. Lipídeos de membranas têm uma porção hidrófila e outra hidrófoba, formando espontaneamente lâminas bimoleculares fechadas em meio aquoso, que barram o fluxo de moléculas polares.

5 Propriedades das membranas Proteínas específicas em membranas podem funcionar como bombas, canais, receptores, transformadores de energia e enzimas. Membranas são montagens não covalentes, resultando de muitas interações cooperativas. Membranas são assimétricas (as duas faces sempre diferem uma da outra).

6 Propriedades das membranas Membranas são fluidas, com alta difusão das moléculas de lipídeos e proteína, mas a sua inversão não é frequente. A maioria das membranas têm polaridade elétrica, com o lado interno negativo (~60mV).

7 Ácidos graxos Longas cadeias hidrocarbonadas, com diferentes comprimentos e graus de insaturação, com terminação em carboxila (grupamento ácido). Seu nome é derivado do nome do hidrocarboneto correspondente substituindo o o final por óico (octadecano ácido octadecanóico)

8 Variações de ácidos graxos Em sistemas biológicos, comumente os ácidos graxos contém um número par de carbonos, geralmente entre 14 e 24 (mais comuns entre 16 e 18), quase invariavelmente sem ramificações em animais. Eles podem ter a cadeia alquílica saturada ou com duas ou mais ligações duplas, com os insaturados tendo pontos de fusão mais baixo.

9 Lipídeos de membrana Por definição, lipídeos são biomoléculas insolúveis em água mas muito solúveis em solventes orgânicos. Os lipídeos de membrana estão presentes em três principais classes: fosfolipídeos, glicolipídeos e colesterol. Há algumas diferenças entre os lipídeos encontrados em eucariotos e bactérias em relação aos de archaea.

10 Fosfolipídeos São abundantes em todas as proteínas biológicas. São compostos de uma plataforma (glicerol ou esfingosina) ligados a um ou mais ácidos graxos e um fosfato ligado a um álcool. No caso dos fosfoglicerídeos (glicerol como plataforma), há sempre dois ácidos graxos).

11 Glicolipídeos Lipídeos podem se ligar a glicídeos, formando glicolipídeos. Podem ser formadas apenas pela ligação de uma ose ou conter cadeias longas e ramificadas.

12 Colesterol O colesterol tem estrutura diversa dos fosfolipídeos, sendo um esteróide (molécula com um arranjo específico de quatro cicloalcanos fusionados). Em membranas, eles se orientam paralelamente às cadeias de ácidos graxos dos fosfolipídeos. Ausente em procariontes, ele é encontrado em praticamente todas as membranas de animais.

13 Anfipaticidade Há enorme variedade de lipídeos de membrana, mas eles são sempre anfipáticas, contendo uma porção hidrófila e outra hidrófoba. Essa propriedade favorece a formação de espontânea de membranas ou micelas (como visto no capítulo 1).

14 Membranas e micelas A maior parte dos fosfolipídeos e glicolipídeos tendem a formar lâminas bimoleculares, pois suas cadeias são muito volumosas para se adaptar no interior de uma micela. Já os sais de ácidos graxos, com uma só cadeia, tendem a formar micelas espontaneamente. A formação espontânea destas estruturas é chamada de processo de automontagem.

15 Fatores para a automontagem Interações hidrófobas (moléculas de água são liberadas das caudas hidrocarbonadas). Forças atrativas de van der Waals (entre as caudas compactadas). Atrações eletrostáticas e pontes de hidrogênio (entre as cabeças polares e moléculas de água).

16 Conseqüências biológicas Bicamadas tendem a serem amplas. Bicamadas tendem a fechar-se para evitar bordas com cadeias hidrocarbonadas expostas, formando compartimentos. Bicamadas lipídicas são auto-selantes (a formação de um orifício é energeticamente desfavorável).

17 Lipossomos Como fosfolipídeos têm propensão a formar membranas, tem-se usado comumente as vesículas lipídicas ou lipossomos para estudos experimentais em ciência básica ou aplicada.

18 Uso clínico de lipossomos Lipossomos podem ser usados como transporte de DNA para terapia gênica, poise se fundem com a membrana citoplasmática de várias células, introduzindo o material encapsulado. A distribuição de medicamentos por lipossomos freqüentemente diminui sua toxidez, pois eles se concentram em regiões de circulação sangüínea aumentada, como tumores sólidos e locais de inflamação.

19 Permeabilidade Experimentos indicam que membranas de bicamada lipídica têm baixa permeabilidade para íons e para a maioria das moléculas polares, com exceção da água (devido ao seu pequeno tamanho, alta concentração e falta de carga completa). O processo consiste em livrar-se da camada de solvatação, dissolver-se no cerne hidrocarbonado, difundir-se para o outro lado e ser ressolvatada, o que em geral é energeticamente desfavorável.

20 Proteínas de membrana Enquanto os lipídeos formam uma barreira de permeabilidade, praticamente todas as outras funções das membranas são exercidas por proteínas. Em geral, membranas que executam funções diferentes contém conjuntos diferentes de proteínas.

21 Associação de proteínas a membranas Algumas proteínas (chamadas periféricas) podem ser isoladas mais facilmente de membranas, enquanto outras (chamadas integradas) estão muito fixas devido à interação direta com a região hidrocarbonada da membrana. Estas últimas necessitam de fortes solventes orgânicos para sua retirada.

22 Proteínas de membrana Proteínas de membranas são mais difíceis de serem purificadas e cristalizadas. Ainda assim, existem estruturas disponíveis (por cristalografia de raios-x ou microscopia eletrônica) de mais de cem destas proteínas, algumas com resolução suficiente para visualização de detalhes moleculares.

23 Proteínas de membrana Proteínas podem atravessar a membrana através de hélices. Na bacteriorrodopsina, mostrada ao lado, a maior parte dos aminoácidos são apolares. Em alguns casos, hélices transmembranares podem ser detectadas pela seqüência.

24 Proteínas de membrana Proteínas de canal podem ser formadas também por fitas. A disposição destas fitas formam um cilindro oco, que permite a passagem de moléculas. Um interior hidrofílico pode surgir pela alternância de aminoácidos polares e apolares.

25 Proteínas de membrana Finalmente, algumas proteínas podem ter regiões que adentram apenas parcialmente na bicamada lipídica, mas ligam-se de forma suficientemente forte para serem consideradas proteínas integradas. Prostaglandina H 2 sintase-1

26 Proteínas de membrana Outra forma de ligação se dá através de grupamentos hidrofóbicos ligados covalentemente à proteína

27 Previsão de hélices transmembranares Pode-se avaliar se um segmento de hélices é mais estável em meio hidrocarbonado ou em água. Usando os valores tabelados para a energia de transferência entre os meios, pode-se avaliar se uma seqüência é compatível com uma hélice de membrana.

28 Gráficos de hidropatia

29 Difusão em membranas Membranas biológicas não são rígidas os lipídeos e muitas proteínas de membranas estão constantemente se movimentando lateralmente, no processo chamado de difusão lateral, que pode ser acompanhado experimentalmente. A distância média S atravessada no tempo t depende do coeficiente de difusão (D) segundo a expressão S=(4Dt) 1/2 D costuma ser em torno de 1μm 2 /s para lipídeos em membranas.

30 Difusão em membranas Proteínas por sua vez podem ter alta variação em sua mobilidade lateral algumas são quase tão móveis quanto os lipídeos, enquanto outras são praticamente imóveis. Como exemplos, a rodopsina tem coeficiente de difusão de 0.4μm 2 /s, enquanto a fibronectina tem D menor que 10-4 μm 2 /s

31 Mosaico fluido Devido a esta mobilidade discutida anteriormente, as membranas foram descritas como mosaicos fluidos (Singer & Nicolson, 1972). Neste modelo, as membranas são soluções bidimensionais, em que as proteínas podem se difundir lateralmente até o limite das restrições por interações. O modelo não considera a rotação através da membrana

32 Flip-flop Embora seja um processo lento, a rotação espontânea de lipídeos de uma face da membrana para a outra pode ocorrer. Este processo é chamado de difusão transversa ou flip-flop, e também é confirmado experimentalmente.

33 Flip-flop Uma molécula de fosfolipídeo faz difusão transversa apenas uma vez em várias horas, demorando portanto 10 9 vezes mais para fazer o flip-flop que se difundir por 50Å. No caso das proteínas de membranas, as barreiras de energia são ainda maiores, pois elas tem regiões polares mais amplas. A difusão transversa de proteínas de membrana nunca foi observada. Isso garante a preservação da assimetria das membranas.

34 Fluidez das membranas A fluidez das membranas, que influi em processos como transporte e transmissão de sinais, depende da composição em ácidos graxos e conteúdo de colesterol. Ácidos graxos saturados favorecem o estado rígido.

35 Controle da fluidez Bactérias controlam a fluidez de suas membranas variando o número de ligações duplas e comprimento da cadeia dos ácidos graxos. Em animais, ela é controlada principalmente pelo colesterol, que por ser muito diferente dos fosfolipídeos perturba as interações regulares.

36 Assimetria das membranas As membranas são estrutural e funcionalmente assimétricas. Como exemplo, a bomba de sódio e potássio é orientada de forma a bombear Na + para fora e K + para dentro da célula. O ATP precisa estar dentro da célula para acionar a bomba, enquanto seu inibidor (ouabaína) só funciona quando no exterior da célula.

37 Outras membranas Algumas bactérias, como a E. coli, possui duas membranas separadas por uma parede celular (composta de proteínas, peptídeos e glicídeos). A região entre as duas membranas é chamada de periplasma. Nos eucariotos, há só uma bicamada lipídica, mas há outras membranas formando organelas, como mitocôndrias (síntese de ATP), peroxissomos (oxidação de ácidos graxos) ou o próprio núcleo.

38 Outras membranas Há várias evidências de que as mitocôndrias evoluíram de bactérias por endossimbiose. Há também membranas adicionais em processos como a endocitose, em que proteínas forçam a geração de vesículas.