Membrana Plasmática

Membrana Celular

A principal função da membrana celular é

manter, de forma seletiva, moléculas tão

diversas como proteínas e pequenos

solutos, no interior da célula. Assim, a

membrana funciona de forma eficiente para

regular seletivamente sua

permeabilidade. A composição da

membrana celular tem sido estudada de

forma intensa, a partir do uso de diversas

técnicas físicas e químicas, discutiremos a

seguir a evolução dos principais modelos

da membrana celular.

Membrana Celular

No livro clássico de Oparin, A Origem da

Vida, esse propôs que para qualquer forma

de vida, das mais simples que sejam, faz-

se necessária uma barreira física, que

separe a parte viva do meio que a cerca.

Esse trabalho destaca a necessidade de

uma membrana para isolar, até mesmo as

formas de vida mais simples, do meio

exterior.

Algumas funções da

membrana plasmática

SEPARAR

INTEGRAR

Determina a composição

diferencial entre o citosol

e o meio extracelular;

Barreira Seletiva;

Recepção de sinais

(proteínas com função

sensorial);

Importação e exportação

de substâncias;

Mobilidade Celular.

MEMBRANA PLASMÁTICA

Composição química LIPÍDIOS, PROTEÍNAS E AÇÚCARES

Modelos de Membrana Celular

Modelo de Robertson (1957). O estudo de eritrócitos realizados por Gorter & Grendel em

1925 indicou que o conteúdo lipídico das membranas ocupava uma área duas vezes maior

que a superfície da célula. Tal observação levou à hipótese da bicamada lipídica, com a parte

polar voltada para os meios intra e extra celular e a parte hidrofóbica voltada para o interior da

membrana, escondida do solvente. Posteriormente Schmitt e colaboradores, a partir de

estudos de polarização da luz, propuseram que eritrócitos apresentavam lipídios

perpendiculares ao plano da membrana, como espera-se de uma bicamada (Schmitt et al.,

1937, 1938). Outros cientistas propuseram a presença de proteínas nas membranas (Danielli

& Davson, 1935), com a participação protéica estendendo-se até 60 % da membrana.

Baseado nessas informações Robertson (1957, 1981) propôs que as proteínas estivessem

distribuídas sobre a superfície da membrana.

Modelos de Membrana Celular

O modelo de Robertson era coerente com a informação sobre a presença de proteínas nas

membranas, bem como com a presença da bicamada lipídica, contudo falhava ao colocar

proteínas globulares na superfície da membrana. A presença de uma camada de proteína na

membrana formava uma blindagem na superfície da membrana, o que impossibilita a

comunicação entre os meios intra e extra-celular.

Referências:

Robertson, J. D. (1957). J. Biophys. Biochem. Cytol., 3:1043-1048.

Robertson, J. D. (1981). J. Cell Biol. 91(3 Pt 2):189s-204s. Review.

Proteína

globular

Bicamada

lipídica

Modelos de Membrana Celular

Modelo de Stein & Danielli. Esse modelo

propõe a presença de um canal transmembrana

composto por proteínas, o que permite

comunicação entre os meios intra e extra

celular, aumentando a permeabilidade da

membrana celular. Nesse modelo toda a

membrana é revestida por proteínas Stein &

Danielli (1956). O principal problema desse

modelo é o envolvimento de toda a membrana

celular por proteínas, não há contato para

porção polar da bicamada lípídica com o

solvente do meio extracelular, ou com o

citoplasma, a bicamada lipídica fica blindada

pela proteína.

Referência: Stein, W. D. & Danielli, J. F. (1956). Discuss. Faraday Soc. 21:238-251.

Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg.

5).

Modelo de Lucy & Glauert. Nesse

modelo o lipídeos formam micelas

globulares, que estão revestidas por

proteínas (Lucy & Glauert, 1964). Esse

modelo apresenta o mesmo problema do

modelo de Robertson, não há

comunicação entre os meios extra e intra

celular.

Referências: Lucy, J. A. & Glauert, A. M. (1964). J. Mol. Biol. 12: 727-748.

De Mello, W. C. (1972). Electrical phenomena in the heart, Academic Press, New York

and London.

Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg. 5).

Modelos de Membrana Celular

Fonte: Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000 (pg.

5).

Modelo de Benson. Nesse modelo a

membrana é composta por uma matriz

protéica com lipídios dispersos. O

principal problema dessa proposta está

na inexistência de canais

transmembranas.

Referência: Benson, A. A. (1966). J.

Amer. Oil Chem. Soc., 43:265-270.

Modelos de Membrana Celular

Modelo de Lenard&Singer, , indicando duas proteína inseridas na

bicamada lipídica (elipsóides cinzas).

A proteína da esquerda é uma proteína extrínseca e a da direira uma

proteína intrínseca. Os fosfolipídios são indicados

com a cabeça polar em preto e a cauda hidrofófica pelas linhas que

saem da esfera preta.

Modelo de Lenard & Singer. Esse

modelo, mais realístico, prevê a presença

de proteínas numa bicamada lipídica

(Lenard & Singer, 1966), há previsão de

proteínas transmembranas que

atravessam a bicamada lipídica.

Referência: Lenard, J. & Singer, S. J.

(1966). Proc. Natl. Acad. Sc. 56:1828-

1835.

Modelos de Membrana Celular

Referência: Singer, S. J. & Nicolson, G. L.

(1972) Science, 175:720-731.

Proteína intrínseca, ou

transmembrana

Proteínas extrínsecasModelo de mosaico fluido. Experimentos

mais detalhados mostraram deficiências nos

diversos modelos de membrana celular.

Singer e Nicolson (1972) propuseram um

modelo de membrana constituído de uma

bicamada lipídica, onde encontram-se

inseridas proteínas. Há dois tipos de

proteínas inseridas na membrana, uma que

atravessa toda a membrana, chamada

proteína intrínseca, ou transmembrana. O

segundo tipo de proteína localiza-se sobre a

membrana, sendo encontrada tanto no

exterior como voltada para o citoplasma.

Esse segundo tipo de proteína é chamado

extrínseca.

Modelos de Membrana Celular

Referência: Singer, S. J. & Nicolson, G. L.

(1972) Science, 175:720-731.

Proteína intrínseca, ou

transmembrana

Proteínas extrínsecasEsse modelo prevê a passagen seletiva de

íons pelas proteínas intrínsecas, que são

chamadas de canais ou bombas como

veremos em detalhe no estudo do potencial

de membrana. Outra característica desse

modelo é liberdade de movimentação das

proteína na bicamada. De acordo com

características básicas do modelo,

mosaicismo e difusão, previu-se a liberdade

lateral e rotatória, assim como a distribuição

aleatória de componentes moleculares na

membrana.

Modelos de Membrana Celular

O modelo de mosaico fluido é usado até hoje, apesar de experimentos posteriores, terem

deixado claro que a liberdade de movimentação das proteínas transmembranas e

extrínsecas, não representa a realidade observada (Vereb et al., 2004). Uma das

características da membrana celular, não previstas no modelo de mosaico fluido, é que as

proteínas apresentam uma distribuição não aleatória, há uma concentração de proteínas em

regiões definidas na membrana, conhecidas como balsas lipídicas. Essas balsas lipídicas são

pequenas da membrana, onde alguns lipídios (normalmente esfingolipídeos e colesterol) e

proteínas estão concentrados.

Modelos de Membrana Celular

Balsas lipídicas, mostrando setores da membrana que fixam essas nas regiões indicas. Fonte: Vereb et al. 2004.

Modelo Atual da Membrana Celular

Um modelo para membrana celular mais realístico prevê além da clássica bicamada lipídica e

as proteínas transmembranas e extrínsecas os seguintes aspectos:

1) Distribuição não aleatória das proteína na membrana. O modelo original de mosaico fluido

prevê uma distribuição aleatórias das proteína na bicamada lipídica.

2) Contatos moleculares quase permanentes.

3) Domínios de membrana: difusão limitada, reorganização dinâmica.

4) Plataformas lipídicas.

5) Proteínas são importantes elementos estruturais.

6) Estruturação dinâmica.

Proteína da

classe

Cadeia lateral de

oligossacarídeo

Glicolipídio

Fosfolipídeo

Proteína

globularSegmento

hidrofóbico da

proteína Colesterol

Modelo Atual da Membrana Celular

Modelo de Singer e Nicolson (1972)Modelo do Mosaico Fluido

Proteínas embebidas na bicamada lipídica;

Estrutura molecular da membrana plasmática

Proteínas

Integrais (transmembranas)

Periféricas

Lipídeos

Glicolipídeos

Colesterol

Fosfolipídeos

Fosfatidilcolina

Fosfatidiletanolamina

Fosfatidilserina

Esfingomielina

Proteína / Lipídeo

• Proporção variável

Composição Lipídica de algumas membranas celulares

Hidrofílica (cabeça)

Hidrofóbica (caudas)

Moléculas AnfipáticasLIPÍDEOS DE MEMBRANAS

Fosfolipídeos

Fosfatidilcolina

Fosfatidiletanolamina

Fosfatidilserina

Esfingomielina

Flip Flop Rotação Difusão Lateral

dependente da temperatura

1- Fluidez da membrana

Fluido Bidimensional movimentação dos fosfolipídeos dentro da bicamada

Composição Fosfolipídica

Natureza das caudas de hidrocarbonetos

Caudas curtas (maior fluidez) que caudas longas

Insaturação (maior fluidez) que saturação

INSATURADOS

- viscosa

+ fluida

SATURADOS

+ viscosa

- fluida

1- Fluidez da membrana

1- Fluidez da membrana

Colesterol Modula a fluidez das membranas em células animais

Enrijece a

bicamada lipídica,

tornando-a menos

fluida e menos

permeável

Diferenças na composição da bicamada entre as

faces citosólica e extracelular

2- Assimetria da Bicamada Lipídica

Barreira hidrofóbica impermeável a solutos e íons

tamanho da molécula

solubilidade da molécula (em óleo)

3- Permeabilidade da Bicamada Lipídica

PROTEÍNAS DAS MEMBRANAS

Proteínas de membrana

K+

Na+

Proteínas Transmembrana

Moléculas anfipáticas ligadas covalentemente aos lipídeos

Proteínas -Hélice

Proteínas TransmembranaProteínas receptoras: cruza a membrana uma única vez

Proteínas Transmembrana

Poro Hidrofílico: múltiplas -Hélices formam poros aquosos

Proteínas Transmembrana

Movimentação das proteínas na bicamada

Propriedades das Proteínas de membrana

1- Mobilidade

Restrição de movimento das proteínas, confinando-as em locais específicos

2- Domínios de membrana

AÇUCARES DAS MEMBRANAS

Hidratos de carbono ligados covalentemente aos lipídeos e proteínas

Glicoproteínas GlicolipídeosProteoglicanas

oligossacarídeospolissacarídeos

glicosaminoglicanas

GLICOCÁLICE

OU

GLICOCÁLIX

Açucares de Membrana

GLICOCÁLICE

Funções do Glicocálice

- proteção e lubrificação da superfície celular

- reconhecimento célula-célula e adesão celular

- propriedades enzimáticas (peptidase/glicosidase)

- especificidade do sistema sanguíneo ABO;

- alteração da superfície em células cancerígenas;

- ligação de toxinas, vírus e bactérias;

Funções do Glicocálice

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana CelularA membrana celular animal apresenta uma bicamada lipídica de aproximadamente 60 Å de

extensão, o que possibilita que proteínas como o centro de reação fotossintético atravessem

a membrana, contudo peptídeos pequenos, como os mastoparanos e o anoplin, possuem

comprimento de 21 e 15 Å, respectivamente, não permitindo que esses peptídeos atravessem

a membrana celular. Resta a questão sobre a forma de ação desses peptídeos, visto que

evidências experimentais indicam que os mesmos atuem na membrana celular,

desestabilizando-a. Uma possível forma de ação desses peptídeos, é por meio do desmonte

da camada externa da membrana, o que levaria à sua desestruturação e consequente quebra

da membrana celular. A forma exata da ação dos peptídeos tóxicos com a membrana celular

é ainda matéria de debate. Um possível modelo de interação do peptídeo com a bicamada

está mostrado nos slides seguintes.

~60 Å

Ancoragem do peptídeo na

membrana celular.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Início da desestabilização da

membrana celular.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Início da desmontagem da

primeira camada lipídica.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Início da desmontagem da

segunda camada lipídica.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Desmontagem da bicamada

lipídica.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Início da passagem de

citoplasma para o meio

exterior e entrada de

substâncias do meio extra-

celular.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Abertura de um grande canal

transmembrana.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

~60 Å

Fluxo de substâncias para o

interior e exterior da célula leva à

apoptose.

Interação de Peptídeos Tóxicos com a

Membrana Celular

Streptolisina

A toxina streptolisina é uma proteína produzida

pelo Streptococcus pyrogenes de massa

molecular 65 kDa. Essa toxina liga-se à

membrana celular, que apresenta colesterol na

sua superfície. Depois de ligar-se à membrana

a streptolisina polimeriza-se, formando poros

na membrana celular (figura ao lado). Esses

poros transmembranas podem ter até 350 Å de

diâmetro. Os diagramas esquemáticos nos

próximos slides ilustram os principais passos

na formação dos poros.

Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., &

Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun. 47:52-60.a) Membrana de eritrócito lisadas por streptolisina. b)

Oligômeros de streptolisina, mostrando diversas estruturas de

bastões.

a)

b)

Processo de formação de poros pela

streptolisina. 1) Associação reversível

das streptolisinas monoméricas com

membranas celulares contendo

colesterol.

1

Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun. 47:52-60.

Streptolisina

Processo de formação de poros pela

streptolisina. 2) Dois monômeros

reagem formando um dímero inserido na

membrana.

1

2

Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun. 47:52-60.

Streptolisina

Processo de formação de poros pela

streptolisina. 3) Oligomerização segue

pela adição sucessiva de monômeros.1

2

3

Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun. 47:52-60.

Streptolisina

Processo de formação de poros pela

streptolisina. 4) Há formação de um

poro transmembrana.1

2

3

4

Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun. 47:52-60.

Streptolisina

Representação esquemática do dano causado na membrana pela ação do oligômero de

streptolisina.

Referência: Bhakdi, S., Tranum-Jensen, J., & Sziegoleit, A. (1985). Infec. Immun. 47:52-60.

Streptolisina

Membrana Plasmática:Especializações de

membrana

ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA PLASMÁTICA

SUPERFÍCIE APICAL DA CÉLULA

SUPERFÍCIE BASO-LATERAL DA CÉLULA

1- Microvilosidades

2- Cílios/Flagelos

3- Estereocílios

1- Junções celularesJunções célula-célula

Junções célula-matriz extracelular

ESPECIALIZAÇÕES DA SUPERFÍCIE APICAL DA MEMBRANA

MICROVILOSIDADES

-Projeções cilíndricas do citoplasma,

envolvidas por membrana que se projetam

da superfície apical da célula

-São imóveis

-Aumentam a área de

superfície celular

-Filamentos de actina

microvilosidades glicocálice MICROVILOSIDADES

ESPECIALIZAÇÕES DA SUPERFÍCIE APICAL DA MEMBRANA

ESTEREOCÍLIOS

-São parecidos com microvilosidades- mais

longas e ramificadas

-São imóveis

-Encontrados no epidídimo e nas células

pilosas do ouvido interno

-Aumentam a área de superfície das células

-Filamentos de actina mais discretos que nas

microvilosidades

CÍLIOS/FLAGELOS

ESPECIALIZAÇÕES DA SUPERFÍCIE APICAL DA MEMBRANA

CÍLIOS

-Projeções cilíndricas MÓVEIS,

semelhantes a pêlos

-Função: propulsão de muco e de

outras substâncias sobre a

superfície do epitélio, através de

rápidas oscilações rítmicas e no

caso dos flagelos funcionam na

locomoção

-Microtúbulos organizados (9 +

2), inseridos no corpúsculo basal

ESPECIALIZAÇÕES DA SUPERFÍCIE BASO-LATERAL DA CÉLULA JUNÇÕES CELULARES

JUNÇÃO

OCLUSIVA

JUNÇÕES

JUNÇÃO

ADERENTE

DESMOSSOMA

JUNÇÃO

COMUNICANTE

COMPLEXO

JUNCIONAL

Matriz extracelular

Une as células formando uma

barreira impermeável

JUNÇÃO OCLUSIVA

Evita movimentação de moléculas

entre diferentes domínios de

membrana

Cinturão de adesão apical,

abaixo junção oclusiva

JUNÇÃO ADERENTE

JUNÇÕES CELULARES ADESÃO

Placas de adesão em forma de disco

DESMOSSOMAS

JUNÇÕES CELULARES ADESÃO

JUNÇÃO COMUNICANTE

* Formada por 6 proteínas

transmembranas– conexinas

* Regulada abrem e fecham

• ALBERTS, B.; BRAY, D.; LEWIS, J.; RAFF, M.;ROBERTS, K. & WATSON, J. D. Fundamentos daBiologia Celular. 2 ed. Porto Alegre: Artmed, 2006.

• COOPER, G. M. A célula: uma abordagem molecular.2 ed. Porto Alegre: Artmed Editora, 2001.

• DE ROBERTIS, E. D. P. & HIB, J. Bases da biologiacelular e molecular. 3 ed. Rio de Janeiro: GuanabaraKoogan, 2001.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS