Pontifícia Universidade Católica de Goiás Departamento de Biologia Prof. Hugo Henrique Pádua M.Sc. Fundamentos de Biofísica Membranas Biológicas e Transporte
Limite celular Conservação da energia Regulação do trânsito molecular e iônico Organização de sequências reacionais MEMBRANAS BIOLÓGICAS Biossinalização Movimentação celular Manutenção da forma celular
Introdução a Membranas Biológicas Dinamismo funcional Características físico-químicas das moléculas que compõem as membranas biológicas Estruturas que determinam uma arquitetura dinâmica e diversidade funcional Membranas são flexíveis, auto-selantes e seletivas a solutos polares
Introdução a Membranas Biológicas COMPOSIÇÃO: lipídios, proteínas e carboidratos Componentes (% em peso) Esterol do tipo Outros lipídios Proteínas Fosfolipídios Esterol Bainha de mielina humana 30 30 19 Colesterol Galactolipídios Fígado de camundongo 45 27 25 Colesterol - Folha de milho 47 26 7 Sitosterol Galactolipídios Cada tipo de membrana apresenta lipídios e proteínas característicos DIVERSIDADE DE FUNÇÕES BIOLÓGICAS Variabilidade de proteínas reflete maior especialização funcional Bastonetes 90% de rodopsina X Eritrócitos ~ 20 tipos de proteínas
Introdução aos Lipídeos
Introdução aos Lipídeos Estrutura e função
Introdução aos Lipídeos Características dos lipídeos Lipídeos são caracterizados pela sua alta solubilidade em solventes orgânicos e baixa solubilidade em água Esta característica hidrofóbica das moléculas não é uma desvantagem biológica (mesmo o corpo possuindo alta quantidade de água) São fundamentais para estabelecer uma interface entre o meio intracelular e o extracelular: compartimentalização
Estrutura dos lipídeos muitos carbonos baixa solubilidade em água Introdução aos Lipídeos ácidos graxos São ácidos monocarboxílicos com 4 a 36 átomos de C esteróis e terpenos
Introdução aos Lipídeos Estrutura dos ácidos graxos 18 C APOLAR POLAR
Ácidos graxos Introdução aos Lipídeos Podem ser classificados de acordo com: Grau de saturação da cadeia lateral saturados (sem duplas ligações) Carne, gema, gorduras láteas da manteiga e queijo Manteiga vegetal e margarina hidrogenada insaturados (com duplas ligações) Monoinsaturado: azeite de oliva e óleo de amendoim Poliinsaturado: óleos de açafrão, milho, girassol, soja
Estrutura dos ácidos graxos Introdução aos Lipídeos Saturados sem duplas ligações C C C C C... Insaturados com duplas ligações C C = C C C...
Introdução aos Lipídeos Ácidos graxos Podem ser classificados de acordo com: Número de carbonos Par Ímpar Cadeia curta Cadeia média Cadeia longa 4 a 8 carbonos 8 a 14 carbonos mais que 14 carbonos
Introdução aos Lipídeos Notação simplificada para representar os Ácidos Graxos A partir do C 1 (carboxila) 16:0 18:1 (9) ou 18:1 ( 9 ) ou 18:1;9 Número de carbonos Número de ligações duplas Posição da ligação dupla 18 9 1
Introdução aos Lipídeos Propriedades Físico-químicas dos lipídeos Quanto maior a cadeia carbônica, maior o caráter apolar e menor a solubilidade Ponto de Ebulição: quanto maior o nº de C, maior o PE Ponto de Fusão: quanto maior o nº de insaturações e menor o nº de hidrocarbonetos, menor o PF
Introdução aos Lipídeos Propriedades Físico-químicas dos lipídeos O pontos de fusão dos ácidos graxos determinam a fluidez das membranas celulares Maior interação entre as moléculas PF saturados Menor interação entre as moléculas > PF insaturados
Introdução aos Lipídeos Estrutura dos lipídeos Mais abundantes na natureza
Introdução aos Lipídeos Classificação dos lipídeos A maioria dos lipídeos são derivados ou possuem na sua estrutura ácidos graxos, podendo ser classificados em: Saponificáveis: lipídios com ácidos graxos em sua composição, capazes de reagir com bases formando sabões. São as biomoléculas mais energéticas Não Saponificáveis: lipídios que não contêm ácidos graxos em sua estrutura e não formam sabões. As vitaminas lipossolúveis e o colesterol são os principais representantes destes lipídios
Introdução aos Lipídeos Lipídeos saponificáveis Ceras Lipídeos de reserva Triacilgliceróis Lipídeos de membrana
Introdução a Membranas Biológicas Composição e arquitetura CARACTERÍSTICAS Impermeáveis à maioria dos solutos polares ou carregados 5 a 8 nm de espessura Caracteristicamente trilaminares em ME Membranas plasmática e aoveolar, estreitamente justapostas
Introdução a Membranas Biológicas Composição e arquitetura CARACTERÍSTICAS Impermeáveis à maioria dos solutos polares ou carregados 5 a 8 nm de espessura Caracteristicamente trilaminares em ME Composição química Permeabilidade e mobilidade das moléculas nas membranas MODELO DO MOSAICO FLUIDO
Modelo do mosaico fluido Bicamada lipídica + esteróis Interações hidrofóbicas: proteínas embebidas em intervalos irregulares Assimetria: lipídios e domínios protéicos diferentes Fluidez da membrana: mobilidade de proteínas e lipídios
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Insolubilidade em água Moléculas de H 2 O organizadas
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Formação de agregados e aumento da estabilidade
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Tipos de agregados MICELA BICAMADA LIPOSSOMO Lipossomos formados em condições experimentais mostram impermeabilidade relativa como as membranas biológicas
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Lipídios em movimento constante Difusão transversa ( flip-flop ) não catalisada muito lenta Difusão transversa catalisada por flipase rápida Difusão lateral não-catalisada muito rápida
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Grau de fluidez depende da: composição lipídica temperatura (T) Rotação ligações C C Rotação ligações insaturadas saturado insaturado Ácidos graxos insaturados fluidez
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Grau de fluidez depende da: composição lipídica temperatura (T) Esteróis atuam como moduladores da fluidez de membrana: T evita empacotamento ordenado e fluidez T evita aumento rotações das ligações C C e fluidez esteróides
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Demonstração da difusão lateral das proteínas de membrana A fusão de uma célula de camundongo com uma célula humana resulta na distribuição aleatória das proteínas das membranas das duas células, minutos após a fusão Coloraçãocom anticorpos espécie-específicos
Evidências para o modelo Modelo do mosaico fluido Mas algumas proteínas são ancoradas de forma a prevenir a difusão Formas de isolamento evidenciam diferentes tipos de interação proteína-membrana Periféricas (extrínsecas) Integrais (intrínsecas)
Proteínas de membrana Lipídios ligados covalentemente a proteínas podem sinalizar a localização correta para estas proteínas Proteínas integrais de membrana medeiam as interações célula-célula e adesão Integrinas. pontos de ligação entre células e entre célula-matriz extracelular Selectinas. na presença de Ca 2+ ligam polissacarídeos específicos na superfície de células adjacentes (coagulação sanguínea)
Proteínas de membrana Ainda atuam como transportadores, canais iônicos, receptores de hormônios, neurotransmissores, fatores de crescimento Participam da fosforilação oxidativa, fotossíntese, reconhecimento célula-célula e célula-antígeno Além de auxiliarem a fusão de membranas em casos de exocitose, endocitose e entrada de diversos tipos de vírus nas células hospedeiras
O modelo do mosaico fluido suporta as necessidades das células em adquirir de sua vizinhança os materiais para os processos de síntese e produção de energia e ainda liberação dos subprodutos do metabolismo Mas comoacontece o transporte dos solutosatravés das membranas?
Transporte de soluto através das membranas A estrutura da membrana celular permite o reconhecimento e transporte das necessidades celulares Açúcares Aminoácidos Íons inorgânicos O conteúdo dos compartimentos celulares também é controlado e mediado por proteínas
Transporte de soluto através das membranas concentração potencial elétrico O princípio do movimento dos solutos através de uma membrana permeável é a difusão simples, considerando-se o potencial eletroquímico transmembrana (potencial de membrana V m )
Transporte de soluto através das membranas As membranas biológicassão seletivas Compostos não-polares como O 2, N 2 e CH 4 são capazes de transpor membranas biológicas por difusão simples A água pode transpor as membranas biológicas muito lentamente porque sua concentração é muito alta Caso as células necessitem transportar água rapidamente é necessário o auxílio de proteínas, as aquaporinas, que diminuem a energia de ativação e facilitam a difusão
Transporte de soluto através das membranas A difusão facilitada é realizada por proteínas de ação análoga às enzimas, pois estes transportadores ligam seus substratos com especificidade estereoquímica por meio de numerosas interações fracas e não-covalentes O resultado é um aumento na velocidade da passagem transmembrana do substrato
Transporte de soluto através das membranas Difusão simples (apenas compostos não-polares, a favor do gradiente de concentração) Difusão facilitada ( a favor do gradiente eletroquímico) Transporte ativo primário (contra o gradiente eletroquímico) Transporte iônico mediado por ionóforo (a favor do gradiente eletroquímico) Canal iônico (a favor do gradiente eletroquímico; pode ser aberto por um ligante ou íon) Transporte ativo secundário (contra o gradiente eletroquímico, impulsionado por outro íon que se move na direção de seu gradiente)
Transporte de soluto através das membranas Transportadores Canais Carreadores Transportadores ativos primários Transportadores únicos Transportadores ativos secundários
Transporte de soluto através das membranas Transporte único Co-transporte Transporte duplo Contratransporte
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte de glucose por GluT1 Carreadores de glucose promovem difusão facilitada velocidade de difusão no sentido do gradiente de concentração (50.000 vezes) Saturabilidade Especificidade Resíduos hidrofílicos formam pontes de H com a glucose a medida que ela se move pelo canal
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte de glucose por GluT1
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Contratransporte de Cl - e HCO 3 nos eritrócitos TROCADOR CLORETO-BICARBONATO Trocador de ânions essencial para o transporte de CO 2 para os pulmões Eletricamente neutra Na ausência de cloreto, cessa o transporte de bicarbonato
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Aquaporinas Família de proteínas que formam canais hidrofílicos transmembrana para transporte passivo de água Moléculas de água se movimentam através do canal em uma corrente contínua, fluindo na direção do gradiente osmótico
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Aquaporinas As aquaporinas conduzem seletivamente as moléculas de água, para dentro e fora da célula, ao mesmo tempo prevenindo a passagem de íons e outros solutos. As aquaporinas também são dominadas canais de água.
Transporte ativo O transporte ocorre contra o gradiente eletroquímico Processo endergônico ( G +) precisa de energia Por isso pode ocorrer quando acoplado com um processo exergônico ( G -), que libera energia, como: absorção de luz solar; reação de oxidação; quebra de ATP ou fluxo de outra espécie química na direção de seu gradiente eletroquímico
X X X S S S X S X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X X S S S Transporte ativo Transporte ativo primário. o acúmulo de soluto é acoplado com a quebra de ATP Transporte ativo secundário. o acúmulo de soluto é acoplado ao fluxo exergônico de outro soluto que foi bombeado por um transporte ativo primário
Transporte ativo
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte ativo com ATPases Tipo P Transportadores de cátions direcionados por ATP Importantes para os potenciais de ação dos neurônios ATPase Na + /K + (desequilíbrio citosol x meio extracelular) ATPase Ca 2+ (desequilíbrio citosol x meio extracelular) ATPase H + /K + (estômago) Tipo V (vacúolo) Acidificação de lisossomos, endossomos, complexo de Golgi e vesículas secretoras animais Tipo F (transporte ativo) Reações conservadoras de energia nas bactérias, mitocôndrias e cloroplastos Hidrólise e síntese de ATP com transporte ascendente de H +
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte ativo com ATPases Tipo P Sistema responsável pela criação e manutenção das concentrações intracelulares de Na + e K + e pela geração do potencial elétrico transmembrana
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte ativo com ATPases Tipo F ATP sintases Poro integral de membrana F o para íons H + Proteína periférica F 1 utiliza energia liberada pelo fluxo de H + para formar ATP
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte ativo com ATPases Tipo F ATP sintases
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Transporte ativo com ATPases
Canais iônicos seletivos Movimentação de íons pela membrana Muito rápidos. difusão irrestrita Não são saturáveis São dependentes de: Ligantes Voltagem Estrutura do canal de K + do Streptomyces lividans
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Canais iônicos seletivos CANAL IÔNICO DEPENDENTE DE LIGANTE Moléculas extracelularesproduzem modificação alostérica que abre ou fecha o canal EX.: Receptor de acetilcolina Volumosos resíduos de Leu
Exemplos de transporte de soluto através das membranas Canais iônicos seletivos CANAL IÔNICO DEPENDENTE DE VOLTAGEM Domínio protéico carregado se move em relação à membrana em resposta a uma alteração no potencial transmembrana EX.: Canal neuronal de Na +
Ionóforos portadores de íons Compostos que conduzem íons através da membrana por um mecanismo de neutralização da carga iônica VALINOMICINA Pequeno peptídeo cíclico que circunda o K + e o neutraliza Ação antibiótica