Introdução à Bioquímica

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1 Introdução à Bioquímica Membranas Biológicas Dra. Fernanda Canduri Laboratório de Sistemas BioMoleculares. Departamento de Física.. UNESP São José do Rio Preto - SP.

2 Conteúdo Proteínas de membrana Proteínas integrais de membrana Proteínas ligadas a lipídeos Proteínas periféricas de membrana Estrutura e montagem de membranas O modelo do mosaico fluido A membrana do eritrócito A assimetria dos lipídeos A rota secretória

3 Conteúdo Lipoproteínas e endocitose mediada por receptores Estrutura de lipoproteínas Endocitose de LDL mediada por receptores Transporte através de membranas Mecanismos de transporte mediado Transporte ativo impelido por ATP Transporte ativo impelido por gradiente de íons

4 A assimetria dos lipídeos Os componentes da membrana tem orientações específicas as duas lâminas da bicamada não são equivalentes nem em composição nem em função As glicoproteínas e os glicolipídeos estão invariavelmente orientados com as suas porções de carboidratos voltadas para o exterior da célula Em eucariotos, as enzimas que participam da biossíntese de lipídeos de membrana são proteínas integrais de membrana do retículo endoplasmático (RE) Em procariotos, os lipídeos são sintetizados na membrana plasmática

5 A assimetria dos lipídeos

6 Os fosfolipídeos sintetizados de um lado da membrana chegam ao outro lado rapidamente Os movimentos flip-flop dos fosfolipídeos parecem ser facilitados de duas maneiras: As membranas possuem flipases equilibram a distribuição de seus fosfolipídeos difusão facilitada As membranas contém proteínas conhecidas como fosfolipídeo-translocases que transportam fosfolipídeos específicos pela membrana em um processo impelido por hidrólise de ATP há uma distribuição desigual da molécula - transporte ativo

7 Transporte de lipídeos A importância dos sistemas de transporte de lipídeos é demonstrada pela observação de que a presença de fosfatidilserina no exterior de muitas células induz a coagulação sanguínea indicação de dano no tecido. Nos eritrócitos, marca a célula para remoção da circulação Novas membranas são geradas pela expansão das membranas já existentes

8 Os lipídeos sintetizados na superfície citoplasmática do RE são transportados para outras partes da célula por vesículas que brotam do RE e fundem-se com outras membranas celulares carregam também proteínas de membrana

9 A rota secretória As proteínas de membrana são sintentizadas nos ribossomos de acordo com a informação contida nos moldes de RNA mensageiro Os ribossomos podem estar livres no citosol ou associados ao RE Ribossomos livres sintetizam principalmente proteínas solúveis e mitocondriais, ao passo que os ribossomos ligados a membrana produzem proteínas transmembrana e proteínas destinadas à secreção, à operação no interior do RE e à incorporação em lisossomos

10 Ribossomos associados ao RE

11 A hipótese do sinal Explica de modo parcial como grandes polipeptídeos relativamente polares passam através da membrana do RER a medida que são sintetizados O polipeptídeo passa pela membrana por meio de um canal protéico transmembrana. O peptídeo sinal, a partícula de reconhecimento de sinal (PRS) e o receptor da PRS dissociam-se. GTP é hidrolisado em GDP + Pi

12 A proteína Translocon forma um canal hidrofílico

13 As proteínas são destinadas a sítios específicos Após a síntese no RER, as proteínas transmembrana secretórias e lisossômicas parcialmente processadas aparecem no aparelho de Golgi

14 As proteínas são destinadas a sítios específicos As proteínas imersas na membrana ou livres na luz movem-se de um compartimento do Golgi para outro ocorre processamentos pós-tradução adicionais como a glicosilação No compartimento final do Golgi, as proteínas são classificadas e enviadas para seus destinos celulares finais. As proteínas são transportadas do compartimento de Golgi para seus destinos finais através das vesículas revestidas

15 Estas vesículas são cobertas por uma estrutura poliédrica formada pela proteína clatrina, que atua como um esqueleto flexível

16 Clatrina

17 Em todos os casos, o brotamento de uma vesícula e a sua fusão com outra membrana preservam a orientação de suas proteínas transmembrana Assim, a luz do RE e do aparelho de Golgi são equivalentes à superfície exterior da célula. Explicando por que razão as porções de carboidratos das glicoproteínas integrais de membrana ocorrem apenas nas superfícies externas de membranas plasmáticas.

18 Síntese de proteínas transmembrana

19 Lipoproteínas e endocitose mediada por receptores Os lipídeos, como os fosfolipídeos, os triacilgliceróis e o colesterol, são pouco solúveis em soluções aquosas Estrutura de lipoproteínas São partículas globulares tipo micelas que consistem de um núcleo apolar de trialcilgliceróis e ésteres de colesteril envolvidos por um revestimento anfifílico de proteínas, fosfolipídeos e colesterol

20 Há cinco classes de lipoproteínas 1. Quilomícrons, que transportam triacilgliceróis e colesterol exógenos do intestino para os tecidos 2. VLDL, IDL e LDL são um grupo de partículas relacionadas que transportam triacilgliceróis e colesterol endógenos do fígado para os tecidos 3. HDL, que transportam colesterol endógeno dos tecidos para o fígado

21 Estrutura de lipoproteínas Cada lipoproteína contém uma quantidade suficiente de proteínas, fosfolipídeo e colesterol para formar uma monocamada dessas substâncias na superfície da partícula As densidades das lipoproteínas aumentam com o decréscimo do diâmetro da partícula, pois a densidade do revestimento externo é maior que a do núcleo interno Assim, a HDL, que é a mais densa das lipoproteínas, é também menor.

22 Estrutura de lipoproteínas HDL

23 Apolipoproteínas revestem a superfície das lipoproteínas Apolipoproteínas são os componentes protéicos das lipoproteínas A maioria é solúvel em água e está associada de maneira bastante fraca às lipoproteínas Possuem um elevado conteúdo de hélices, que aumenta quando elas são incorporadas a lipoproteínas As hélices são estabilizadas pelo ambiente lipídico Tipos: apolipoproteína A-I - quilomícrons e HDL apolipoproteína B LDL

24 Endocitose de LDL mediada por receptores O colesterol é um componente essencial das membranas de células animais Células podem obter colesterol de uma fonte exógena ou, se essa fonte for insuficiente, por meio de síntese interna As células obtêm colesterol principalmente por meio de endocitose mediada por receptores de LDL (engolfamento)

25 Endocitose de LDL mediada por receptores 1. LDL liga-se especificamente a receptores nas cavidades revestidas 2. As cavidades formam as vesículas revestidas 3. Despolarização das clatrinas como trisquélios, formando vesículas lisas 4. As vesículas fundem-se ao endossomo 5. Dissociação da LDL de seu receptor 6. Reciclagem dos receptores de LDL na membrana (7) 8. Endossomo funde-se ao lisossomo (9), formando o lisossomo secundário (10), onde ocorre a hidrólise dos componentes

26 O receptor de LDL entra e sai da célula, em um processo cíclico, a cada 10 minutos Muitos receptores de superfície celular são reciclados entre a membrana e o compartimento endossômico Defeitos no sistema receptor de LDL causam níveis excepcionalmente elevados de colestetol circulante, com o consequente aumento do risco de ocorrência de doenças cardíacas

27 Transporte através de membranas As reações metabólicas ocorrem no interior de células ou de organelas que estão separadas do ambiente que as cerca por membranas As proteínas mediam todos os movimentos transmembrana de pequenos íons inorgânicos e também de metabólitos, como aminoácidos, açúcares e nucleotídeos Endocitose é necessário para mover substâncias maiores

28 O transporte pode ser mediado ou não-mediado Existem dois tipos de processos de transporte: transporte não-mediado e mediado O transporte não-mediado ocorre por difusão simples O transporte mediado ocorre graças à ação de proteínas transportadoras específicas A força que movimenta o fluxo não-mediado de uma substância através de um meio é o seu gradiente de potencial químico As moléculas apolares difundem-se de forma fácil através de membranas biológicas por transporte não-mediado, de acordo com o gradiente de concentração As moléculas de água, devido ao seu tamanho e altas concentrações, permitem a entrada rápida através da membrana

29 O transporte pode ser mediado ou não-mediado

30 O transporte mediado é classificado em duas categorias: 1. Transporte passivo: difusão facilitada uma molécula específica flui de uma alta concentração para uma baixa concentração 2. Transporte ativo: uma molécula específica é transportada de uma baixa concentração para uma alta concentração, contra o seu gradiente de concentração

31 Mecanismos de transporte mediado Substâncias muito polares para se difundirem automaticamente através de bicamadas lipídicas podem ser transportadas através das membranas complexadas com moléculas transportadoras carreadores Ionóforos, um tipo de molécula transportadora de íons, facilitam a sua difusão Eles aumentam a permeabilidade das membranas a determinados íons, ligando-se a eles, difundindo-se através da membrana e liberando-os do lado oposto

32 A ionóforo formador de canal B ionóforo carreador Permitem passivamente a difusão de íons através de uma membrana em ambas as direções Não geram um gradiente de concentração de íons

33 As porinas são seletivas a solutos A porina OmpF é fracamente seletiva a cátions, ao passo que a porina PhoE de E. coli (63% idêntica à primeira) é fracamente seletiva a ânions

34 As proteínas transportadoras alteram conformações Elas operam por um mecanismo de canal ou poro Transportador de glicose de eritrócitos glicoproteína de 55 kda possui hélices que atravessam a membrana e formam um cilindro hidrofóbico envolvendo um canal hidrofílico, por meio do qual a glicose é transportada do fluido extracelular para o citosol O transportador possui sítios de ligação de glicose de ambos os lados da membrana.

35 Transporte de glicose A glicose liga-se a proteína Uma mudança conformacional oclui o primeiro sítio, expondo-o do outro lado da membrana A glicose dissocia-se da proteína Na ausência de glicose, a proteína volta à sua conformação inicial

36 As proteínas transportadoras alteram conformações Todas as proteínas de transporte conhecidas parecem ser proteínas transmembrana assimetricamente localizadas que se alteram entre os dois estados conformacionais Nesses dois estados, os sítios de interação com o ligante são expostos de modo alternado, em cada um dos lados opostos da membrana

37 Algumas proteínas de transporte movem mais de uma substância de cada vez Transporte uniporte: envolve o movimento de uma única molécula de cada vez Transporte simporte: transporta simultaneamente duas moléculas diferentes na mesma direção Transporte antiporte: transporta simultaneamente duas moléculas diferentes em direções opostas

38 Tipos de transporte

39 Transporte ativo impelido por ATP Muitas substâncias estão disponíveis de um lado da membrana em concentrações mais baixas do que as necessárias do lado oposto Tais substâncias devem ser ativa e seletivamente transportadas através da membrana contra seus gradientes de concentração o transporte ativo é um processo endergônico que está acoplado à hidrólise de ATP ATPases ligadas a membranas transladam cátions realizam o transporte ativo primário No secundário, a energia livre do gradiente eletroquímico gerado por uma ATPase bombeadora de íons é utilizada para transportar uma molécula neutra contra o seu gradiente de concentração

40 ATPase é chamada de bomba de (Na + -K + ) 3Na + (interior) + 2K + (exterior) + ATP + H 2 O 3Na + (exterior) + 2K + (interior) + ADP + Pi

41 A chave para o funcionamento da (Na + -K + ) ATPase é a fosforilação do resíduo de Asp específico na proteína É um sistema antiporte que gera uma separação de cargas através da membrana A extrusão de Na + permite que as células animais controlem seu conteúdo de água osmoticamente

42 Bomba de (Na + -K + )

43 Ca 2+ -ATPase Aumentos transitórios da [Ca 2+ ] desencadeiam diversas respostas celulares, inclusive contração muscular, liberação de neurotransmissores e degradação de glicogênio A bomba de Ca 2+ bombeia Ca 2+ para o lúmen do RE através da hidrólise do ATP biocristalografia.df df.ibilce ibilce.unesp unesp.br

44 Transporte ativo impelido por gradiente de íons As vilosidades do intestino delgado aumenta sua superfície, facilitando a absorção de nutrientes Simporte dependente de Na + Transporte secundário: o uso da energia estocada em um gradiente iônico A glicose aumenta a reabsorção de Na +, que aumenta a absorção de água A glicose é administrada em indivíduos com diarréia