Moléculas mais apolares e menores passam mais fácilmente pela membrana.

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1 Tabela dos conceitos de membrana celular posição tipo/ nível assunto conceito referencia Membrana 1 conceito função Membrana 2 conceito teoria Membrana 3 conceito evolução Membrana 4 conceito evolução A membrana serve para manter diferença composição de compartimentos A membrana participa de transporte de informação e interconversão de energia Na evolução apareceu uma separação do "protoplasma" por uma membrana lipídica Invaginações da membrana plasmática formam compartimentos internos, e o retículo forma núcleo. Membrana 5 conceito estrutura A membrana é um fluido de duas dimensões Membrana 6 conceito estrutura/função Existe uma vários níveis de função para a estrutura das moléculas Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science Feb 18;175(23): Membrana 7 conceito composição Membrana 8 conceito composição: lipideos Existe uma relação entre a estrutura com a função, para cada componente molecular da membrana Fosfolipídeos são compostos de (ácido graxo (saturado ou não) + glicerol + fosfato + resíduo) Membrana 9 conceito composição: lipideos Fosfolipídeos são anfipáticos: hidrofílicos e hidrofóbicos Membrana 10 conceito estrutura Existe uma organização espontânea da membrana Membrana 11 discussão estrutura Diferentes tipos de lipideos formam micelas e vesículas? Membrana 12 conceito estrutura Membrana 13 conceito estrutura Podem acontecer movimentos laterais e dobramento, mas em geral não a troca de lado Interações eletrostáticas acontecem entre as cabeças e a água: as caudas se organizam por exclusão Pomorski TG, Nylander T, Cárdenas M. Model cell membranes: discerning lipid and protein contributions in shaping the cell. Adv Colloid Interface Sci Mar;205: Membrana 14 exemplo estrutura A criofratura demonstra as interações entre os lipídeos Membrana 15 conceito estrutura As vesículas de membrana são autoselantes Membrana 16 exemplo estrutura As membranas formam microssomas. Membrana 17 conceito função Membrana 18 exemplo função Moléculas mais apolares e menores passam mais fácilmente pela membrana. As células tem diferentes aquaporinas, e elas estão envolvidas em funções diferentes. Verkman AS. Mammalian aquaporins: diverse physiological roles and potential clinical significance. Expert Rev Mol Med May 16;10:e13. Membrana 19 conceito função Experimentalmente podemos fazer um modelo elétrico da célula.

2 Membrana 20 exemplo função A medida da condutividade ao longo do tempo demonstra o crescimento por vesículas Membrane capacitance techniques to monitor granule exocytosis in neutrophils Lollike K., Lindau, M. Journal of Immunological Methods 232: , 1999 Membrana 21 conceito estrutura Diferentes tipos de fosfolipídeos Membrana 22 conceito estrutura Relação entre saturação e empacotamento Membrana 23 conceito composição: lipideos Esterois e colesterol 10 Membrana 24 conceito composição: lipideos Membrana 25 exemplo funçao Membrana 26 conceito composição: lipideos Membrana 27 exemplo: composição: lipideos As membranas de células diferentes tem composição e proporção de fosfolipídeos diferentes. Membranas isolantes elétricas tem muito lipídeo, membranas de sintese de ATP tem muita ptn Membranas lipídicas diferentes (plasmática, retículo, golgi, etc) também tem composição diferente. Usamos sondas fluorescentes seletivas para cada compartimento celular. Membrana 28 conceito composição: lipideos As duas faces das membranas lipídicas tem composição diferente Membrana 29 exemplo funçao A transferência de fosfatidilserina para a face externa da membrana sinaliza apoptose entre outros fenômenos Membrana 30 exemplo: funçao Lipídeos como sinalizadores: saída da membrana Membrana 31 conceito: composição: lipideos Microdomínios de membrana: RAFTs Membrana 32 conceito composição: açucares Açucares são moleculas ramificadas e rígidas, com papel na sinalização e proteção Lipid rafts and membrane dynamics, Rajendran L. e Simons K., Journal of Cell Science 118: , 2005 Membrana 33 exemplo composição: açucares selectinas, gangliosídeos Membrana 34 conceito: estrutura das ptns Membrana 35 conceito: estrutura das ptns As proteínas que interagem com a membrana são anfipáticas ou interagem com moléculas anfipáticas Estrutura das proteínas transmembranas: alfa-hélice, com passagens múltiplas Membrana 36 discussão composição: ptns Ptns integrais X periféricas ou intrínsecas ou extrínsecas Membrana 37 exemplo composição: ptns caudas lipídicas das ptns Membrana 38 conceito função interconversão de energia: ATP = força, movimento X diferença de concentração Membrana 39 discussão função Transporte através da membrana: gasto energético Membrana 40 conceito função ligação com citoesqueleto e MEC ou outra célula Membrana 41 conceito estrutura currais submembranares 11

3 2. Membrana : endocitose e exocitose. Conteúdo: vesículas, receptores, clatrina, SNAREs. microdomínios de membrana Objetivos: Analisar a dinâmica dos processos de endocitose e exocitose; para cada um dos seus componentes moleculares relacionar estrutura e função; interpretar o conceito de domínio funcional de moléculas. Avaliar a dimensão temporal da exocitose. Relacionar a fluidez e heterogeneidade da membrana. material. Como a concentração de uma molécula entre dois compartimentos tende a se igualar, a célula pode, gastando energia, manter uma concentração mais alta de uma molécula. E de forma inversa, pode transformar a energia liberada no transporte de uma molécula a favor de uma diferença de concentração em energia química (#34). #3 conceito: Atualmente, não existe vida a não ser em células, e não existem células sem membrana. Se imaginarmos uma molécula autoreplicativa e com metabolismo, podemos imaginar que existiria uma grande vantagem evolutiva em manter os produtos dos processos metabólicos isolados de outras moléculas. Virus precisam de células para funcionar. #4 conceito: A membrana vai servir para separar compartimentos internos nas células eucariontes. Os eucariontes são definidos como tendo núcleo, que é uma re-distribuição de membrana (repetida durante o ciclo celular) para separar o material genético. Os eucariontes tem outros compartimentos membranares internos, como retículo, etc, que possuem composições específicas. Singer SJ, Nicolson GL. Science #1 conceito: Todos as células de todos os seres vivos são limitadas por membranas. A membrana vai fazer a separação fundamental entre a matéria inerte e a matéria viva. Enquanto a matéria inerte tende a se distribuir de forma aleatória, seguindo a tendencia ao aumento de entropia, a materia viva, sendo constituída a partir de um programa, usa informação para ter uma distribuição ordenada de constituintes, ou seja, uma composição definida. A membrana é responsável, ao separar esses dois ambiente, em manter a diferença de composição entre compartimentos. #5 conceito: O modelo atual de membrana é de um fluido de duas dimensões, construído espontaneamente a partir das propriedades anfipáticas dos lipídeos (Singer SJ, Nicolson GL. The fluid mosaic model of the structure of cell membranes. Science Feb 18;175(23):720-31). Temos um mar de fosfolipídeos com proteínas flutuando: tanto os lipídeos quanto as proteínas podem se mover à vontade na direção do plano da membrana (X, Y), mas não em Z. Note que no modelo original foram previstas proteínas imersas em apenas um lado da membrana, o que tinha sido abandonado nas versões mais recentes, mas que hoje se sabe que existe (caveolina, flotilina). A membrana se organiza expontaneamente (#9), por causa da anfipaticidade dos lipídeos (#8). Dessa forma, é a estrutura dos lipídeos que define a estrutura da membrana, e que por sua vez define as estruturas das proteínas que interagem com a membrana (#33). Seymour J Singer Garth L Nicolson #2 conceito: A membrana é uma barreira para a passagem de algumas moléculas (#16). Como a membrana é uma barreira, mas a célula necessita de trocas de material com o meio externo, tornase necessário um transporte seletivo de material e informações. Em alguns casos, como veremos na parte de sinalização, pode acontecer a passagem de informação mesmo sem a passagem de 12 #6 conceito: Existe portanto uma "pressão seletiva" maior para a função de isolamento dos compartimentos interno e externo da célula, que define a estrutura da membrana como um todo. Mas vão aparecer outras funções mais especializadas que serão exercidas por variações estruturais nos componentes mas sempre limitados à regra geral da membrana. Outro conceito que se insinua aquí é que existem vários níveis diferentes de função para uma estrutura ou molécula.

4 #7 conceito: Podemos relacionar a estrutura com a função de cada tipo de molécula componente da membrana, e construir a relação entre estrutura dos componentes com sua própria função 13 na membrana conforme a tabela abaixo.. Tabela 1. As membranas são compostas por 3 tipos de moléculas: composição Funções estrutura lipídeos (fosfolipídeos e colesterol) impermeabilidade água fluidez: vesículas autoselantes anfipática pouco variável (sinalização) açucares sinalização proteção mecânica enzimática rígida muito variável proteínas permeabilidade seletiva gradiente iônico hidrofóbica na inserção variável receptores (sinalização) transporte Lipídeos #8 conceito: As membranas biológicas são compostas por fosfolipídeos. Fosfolipídeos são moléculas com 2 longas cadeias de ácidos graxos ligados a um glicerol, depois um fosfato e depois um radical. Os ácidos graxos podem ser saturados, quando formarão moléculas lineares, ou insaturados, quando as ligações duplas entre os carbonos causarão distorções na linearidade. Moléculas lineares se empacotam mais facilmente do que moleculas não regulares, portanto existe uma relação entre o grau de saturação e a organização da membrana, da qual depende sua fluidez. #9 conceito: Os fosfolipídeos são anfipáticos por que possuem uma região sem carga, as caudas dos ácidos graxos, e uma região com carga, os radicais glicerol-fosfato. Enquanto a região com carga interage com as moléculas de água (hidrofílica), a região sem carga é excluída da água (hidrofóbica). Como possuem duas caudas, o volume ocupado pela cabeça é semelhante ao das caudas, tornando-os moléculas cilíndricas. #10 conceito: A membrana, em um ambiente aquoso, se organiza espontaneamente numa bicamada com faces hidrofílicas pra fora e interior hidrofóbico. Como os fosfolipídeos são anfipáticos, a estrutura dos aglomerados depende da quantidade de moléculas de lipídeos no meio 14 aquosos, e da estrutura mais termodinamicamente estável que eles podem assumir: poucos lipídeos formam agregados, mais lipídeos formam micelas (as caudas se escondem da água) e vesículas (não é possível que muitas caudas se escondam sem que as cabeças parem de interagir com a água). Outra maneira de dizer isso é que a bicamada é a forma mais termodinamicamente estável e portanto mais provável, e que a formação da vesícula não requer gasto de energia. #11 discussão: Existem muitos modelos de como os fosfolipídeos se comportam em solução. A estrutura da unidade condiciona o tipo de agregado formado ( parâmetro de empacotamento : cônico ou cilíndrico). Geralmente as micelas são representadas como sendo formadas por moléculas com uma única cauda, em cone (como os detergentes) e vesículas sendo formadas por moléculas com dupla cauda, cilíndricas (como os fosfolipídeos). Parece consenso que poucos lipídeos, seja o formato que tiverem, se organizarão com as caudas próximas uma da outra. Mas não me parece claro se, em certas concentrações moléculas cilíndricas vão formar apenas micelas nem se moléculas em cone podem formar vesículas. #12 conceito: As forças que estabilizam a bicamada permitem os movimentos laterais e a rotação, mas não a troca de lado da bicamada. Mas é preciso entender essa regra como probabilística: enquanto o movimento lateral é extremamente provável e acontece frequentemente, a troca de lado (Flip-flop) é extremamente improvável, e acontece muito raramente. Na célula, esse movimento é controlado por flipases. #13 conceito: As interações eletrostáticas acontecem entre as cabeças e a água: as caudas se organizam por exclusão, e a interação entre elas é fraca. Em ambiente apolar, a membrana tem a orientação inversa, com as caudas voltadas para fora. #14 exemplo: A criofratura se baseia no congelamento rápido do material que depois é quebrado : o plano de quebra frequentemente passa pelo interior da bicamada. Depois de clivado, o material é sombreado com vapor metálico. 15

5 #15 conceito: Quando a membrana se dobra, aumenta a concentração de fosfolipídeos no folheto comprimido e diminui a concentração no folheto esticado. Mas como os fosfolipídeos podem deslizar no plano da membrana, eles se redistribuem de forma equidistante o tempo todo. Essa possibilidade da membrana se dobrar e a restrição à exposição de caudas hidrofóbicas fazem com que a membrana seja autoselante. Se a membrana se romper por algum motivo ela rapidamente deve ficar selada. exocytosis in neutrophils Lollike K., Lindau, M. Journal of Immunological Methods 232: , 1999). O fato de que a condutância sobe em saltos, quando acontece a exocitose, demonstra que a membrana cresce, na superfície, por acréscimo ou perda de vesículas, e não de lipídoes isolados. #21 conceito: Fosfolipídeos são compostos de (ácido graxo (saturado ou não) + glicerol + fosfato + resíduo). Os mais comuns são fosfatidilcolina, esfingomielina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e fosfatidilinositol. As membranas de células diferentes tem composição de fosfolipídeos diferentes (além de proteínas e açucares diferentes). #16 exemplo: Se purificarmos uma fração de membranas da célula e olharmos ao microscópio veremos vesículas microssomais. Por outro lado, podemos injetar material com uma seringa dentro da #22 conceito: Os fosfolipídeos podem variar quanto ao grau de saturação das caudas de ácidos graxgraxos. Caudas completamente saturadas são mais lineares, e se empacotam mais facilmente, sendo portanto menos fluidas. célula. #23 conceito: Além de fosfolipídeos, existem esteróis nas membranas, e nos animais, colesterol. #17 conceito: Como a região interna da membrana é hidrofóbica, o transporte através da membrana vai depender da carga e do tamanho da molécula. Enquanto moléculas apolares pequenas atravessam a 15 O colesterol é uma molécular rígida e anfipática. Em altas concentrações diminui a fluidez da membrana por causa de sua rigidez, mas se compararmos uma membrana sem e com colesterol, ele vai desorganizar a estrutura da membrana e portanto tonrá-la mais fluida. O colesterol é obtido a partir de partículas circulantes, mas é também sintetizado pela célula. membrana com facilidade, a membrana é razoavelmente impermeavel à agua. Lavoie C et al. J Cell Sci #24 conceito: A composição da membrana plasmática é diferente para cada tipo da célula. Isso deve ter tanto razões estruturais quanto funcionais. #18 exemplo: Nas células, é comum a presença de canais para passagem de água compostos pela proteína aquaporina. Diferentes células tem diferentes aquaporinas, e elas estão envolvidas em funções diferentes. (Verkman AS. Mammalian aquaporins: diverse physiological roles and potential clinical significance. Expert Rev Mol Med May 16;10:e13.) #25 exemplo: Algumas membranas tem muito lipídeo, como a bainha de mielina (repetidas camadas de membrana que cobrem alguns nervos, fazendo um isolamento elétrico). Outras membranas tem muita proteína, como as membranas mitocôndriais internas envolvidas no transporte de prótons e na sintese de ATP. #19 conceito: A membrana também oferece resistência aos íons e a passagem de carga. Podemos construir um modelo elétrico da célula, aonde os lipídeos são isolantes e proteínas canais são condutores. Experimentalmente, colocamos eletrodos dentro e fora da célula e medimos a passagem de eletricidade. #26 conceito: Numa mesma célula membranas lipídicas diferentes (retículo, golgi, etc) também tem composição diferente. Novamente, isso deve estar ligado a estrutura e função de cada compartimento membranar. Essa composição é constante #20 exemplo: Numa célula viva, podemos medir, com microeletrodos, a condutividade ao longo do tempo (Membrane capacitance techniques to monitor granule 15 apesar das trocas entre diferentes compartimentos (p.ex. golgi-retículo, etc). Kohlwein S. Lab&More,

6 #27 exemplo: As diferenças de composição das varias membranares celulares permitem o desenvolvimento de sondas fluorescentes seletivas para cada compartimento celular. mecânica. É comum as proteínas e lipídeos da face externa (são distribidos de forma assimétrica) terem uma porção de açucar. O conjunto de açucares da face externa é o glicocálix. #28 conceito: A composição de lipídeos da camada interna é diferente da extracelular. Fosfatidilserina, por exemplo, é um lipídeo carregado negativamente e está apenas no folheto citoplasmática da membrana. #29 exemplo: Proteínas flipases de membrana fazem a transferência de fosfatidilserina para a face externa da membrana em alguns eventos celulares, como fusão e apoptose. Essa exposição de fosfatidilserina na superfície da célula é um sinal que é percebido pelas células vizinhas, por exemplo para fagocitarem a célula apoptótica. #30 exemplo: Alguns lipídeos funcionam como sinalizadores intracelulares. A enzima fosfolipase produz C produz o inositol trifosfato (IP3) e diacilglicerol (DAG), que vão ativar processos celulares. #31 conceito: Não apenas os folhetos externo e interno da membrana são diferentes, mas foi demonstrado que dentro de um mesmo plano existe heterogeneidade de composição. Assim a membrana possui microdomínios, com composição de moléculas diferentes do restante da membrana (Lipid rafts and membrane dynamics, Rajendran L. e Simons K., Journal of Cell Science 118: , 2005). As rafts (balsas) são planares, sustentadas por flotilina, ou caveolares, sustentadas por caveolina. Rafts participam de entrada de vírus, endocitose, sinalização, etc. A composição de colesterol e esfingolipídeos é maior do que no restante da membrana, formando uma balsa menos fluida. As caudas dos lipídeos nessa região são em geral mais saturadas, o que as torna mais longas: essa é uma região mais espessa da membrana. Não apenas existem pequenas regiões diferenciadas, mas podem existir tambem macrodomínios de membrana. Açúcares #32 conceito: Os poliaminoácidos e polinucleotídeos tem entre sí ligações fosfodiester ou ligações peptídicas, e são portanto moléculas lineares. Ao mesmo tempo, ligações entre os aminoácidos são mais flexíveis que as ligações entre os açucares. Isso confere às moleculas de açucar variabilidade e rigidez, o que faz com que sejam usadas para sinalização e proteção 17 #33 exemplo: Um exemplo de sinalização são as selectinas, que se ligam à região de açúcar de glicoproteínas Proteínas #34 conceito: Como a estrutura da membrana se baseia na sua anfipaticidade, as proteínas que interagem com a membrana são anfipáticas ou interagem com moléculas anfipática. #35 conceito: As proteínas transmembranas costumam ser alfa-hélices, por que nessa forma as pontes de hidrogênio ficam entre os radicais dos amino-ácidos e não interagem com outras moléculas. Outras proteínas tem passagens múltiplas. #36. discussão: Proteínas são muitas vezes classificadas como integrais X perifericas ou intrínsecas ou extrínsecas. Mas essas são classificações subjetivas, e baseadas em critérios difíceis de analisar, como dificuldade de extração da proteína da membrana. #37 exemplo: Uma das formas de ligação de proteínas com a membrana é através de ligações com lipídeos. Nesse caso, a interação com a região hidrofóbica acontece peli lipídeo. As ligações são chamadas de miristilação, prenilação, etc. Outra possibilidade é através de uma molécula de glicosilfosfatidil inositol, a chamada âncora de GPI. Essa âncora, que acontece em células do sistema imune, pode se soltar em certos processos celulares. #38 conceito: Proteínas de membrana podem fazer interconversão de energia química, na forma da quebra de ATP em movimento de moléculas, como íons, contra uma diferença de concentração. Podem também fazer a sintese de ATP com a passagem de prótons. #39. discussão O transporte de moléculas pela membrana as vezes é classificado como ativo X passivo, dependendo do gasto de energia. Mas sempre existe conversão de energia de uma forma ou outra (química ou osmótica). Um transporte de dada molécula contra um gradiente de concentração pode estar acoplado ao transporte de outra molécula, que tem uma força iônica maior. 18

7 Mas nesse caso houve a liberação de energia osmótica. O transporte de glicose nas células epiteliais do intestino depende da energia liberada pelo transporte de sódio: nesse caso não houve gasto de energia química, mas houve gasto de energia osmótica. E de todo modo, houve gasto de energia química para a célula fazer o gradiente de concentração de sódio. #40 conceito:. A estrutura interna da célula tem de se ligar ao exterior. As células tem várias estruturas de adesão, baseadas em proteínas transmembranas como integrinas e caderinas, e em proteínas adaptadoras que por sua vez se ligam ao citoesqueleto. #41 conceito: Algumas células tem uma malha proteica abaixo das membrana, formando currais submembranares, Esses currais limitam o movimento de moleculas da membrana e ajudam na 19