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Membranas Biológicas

LaboratórioLaboratório de de SistemasSistemas BioMolecularesBioMoleculares. . DepartamentoDepartamento de de FísicaFísica. . CâmpusCâmpus Rio Rio PretoPreto..www.www.biocristalografiabiocristalografia..dfdf..ibilceibilce..unespunesp..brbr

DraDra. . FernandaFernanda CanduriCanduriLaboratórioLaboratório de de SistemasSistemas BioMolecularesBioMoleculares..DepartamentoDepartamento de de FísicaFísica. UNESP. UNESPSãoSão José do Rio José do Rio PretoPreto -- SP.SP.

IntroduçãoIntrodução à à BioquímicaBioquímica

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


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


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 biossíntesede lipídeos de membrana são proteínas integrais de membrana do retículo endoplasmático (RE)

• Em procariotos, os lipídeos são sintetizados na membrana plasmática


A assimetria dos lipídeos


Os fosfolipídeos sintetizados de um lado da membranachegam 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 comofosfolipídeo-translocases que transportam fosfolipídeosespecíficos pela membrana em um processo impelido porhidrólise de ATP – há uma distribuição desigual damolécula - transporte ativo


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


Transporte de lipídeos

• 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


A rota secretória

• As proteínas de membrana são sintentizadas nosribossomos de acordo com a informação contida nosmoldes de RNA mensageiro

• Os ribossomos podem estar livres no citosol ou associadosao RE

• Ribossomos livres sintetizam principalmente proteínassolúveis e mitocondriais, ao passo que os ribossomosligados a membrana produzem proteínas transmembrana e proteínas destinadas à secreção, à operação no interior do RE e à incorporação em lisossomos


Ribossomos associados ao RE


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 passapela membrana por meiode um canal protéicotransmembrana. O peptídeo sinal, a partícula de reconhecimento de sinal(PRS) e o receptor daPRS dissociam-se. GTP é hidrolisado em GDP + Pi


A proteína Translocon forma um canal hidrofílico


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


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

As proteínas são destinadas a sítios específicos


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


Clatrina


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.


Síntese de proteínas transmembrana


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


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



• 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.


HDL



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-100 - LDL


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)


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


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


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


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


O transporte pode ser mediado ou não-mediado


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


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


A – ionóforo formador de canal

• Permitem passivamente a difusão de íons através de uma membrana em ambas as direções

• Não geram um gradiente de concentração de íons B – ionóforo carreador


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


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.


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


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


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


Tipos de transporte


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 geradopor uma ATPase bombeadora de íons é utilizada para transportar uma molécula neutra contra o seu gradiente de concentração


ATPase é chamada de bomba de (Na+-K+)

3Na+(interior) + 2K+(exterior) + ATP + H2O ↔ 3Na+(exterior) + 2K+(interior) + ADP + Pi


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


Bomba de (Na+-K+)


Ca2+-ATPase

• Aumentos transitórios da [Ca2+] desencadeiam diversas respostas celulares, inclusive contração muscular, liberação de neurotransmissores e degradação de glicogênio

A bomba de

Ca2+ bombeia

Ca2+ para o

lúmen do RE

através da

hidrólise do

ATP



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


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