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Membranas Biológicas
Os limites das células
Figura. 3.1 – Estrutura de uma célula animal. (modificada de Biologia Molecular da Célula, 4ª edição, Alberts, B., Bray, D., Lewis,J., Artmed editora, 2004.)
Os limites das células são formados por membranas celulares biológicas, as barreiras que definem o interior e o exterior de uma célula (Berg et al., 2004, Johnson et al., 2004). Estas barreiras impedem que as moléculas geradas dentro da célula vazem para fora e que moléculas indesejadas se difundam para dentro. A membrana plasmática engloba a célula e mantém as diferenças essenciais entre o citosol e o ambiente extracelular. A espessura da maioria das membranas está compreendida entre 6 nm e 10 nm. No interior de células eucarióticas, as membranas do retículo endoplasmático, o aparelho de Golgi, a mitocôndria e outras organelas limitadas por membranas mantêm as diferenças características entre os conteúdos de cada organela e os do citosol. A especialização funcional no decurso da evolução esteve intimamente ligada à formação dos compartimentos intracelulares. Sistemas específicos evoluíram para permitir o endereçamento de proteínas selecionadas para dentro de
determinadas membranas internas, ou através delas e, daí, para organelas específicas. Membranas internas e externas possuem características essenciais em comum. As membranas são tão diversas em estrutura quanto em função, servem para inúmeras funções indispensáveis à vida. Apesar das suas funções diferenciadas, todas as membranas biológicas têm uma estrutura geral comum: cada uma é um filme muito fino de moléculas lipídicas e protéicas mantidas unidas principalmente por interações não covalentes. As membranas são estruturas dinâmicas nas quais proteínas nadam em um mar de lipídeos. Os componentes lipídicos da membrana formam uma barreira de permeabilidade. As proteínas componentes agem como um sistema de bombas e canais que dotam à membrana a permeabilidade seletiva. As moléculas protéicas que atravessam a bicamada lipídica servem de mediadores para praticamente todas as outras funções da membrana. São necessárias muitas proteínas de membrana diferentes para que uma célula possa funcionar e interagir com o ambiente que a envolve. De fato, estima-se que aproximadamente 30% das proteínas que são codificadas no genoma de uma célula animal sejam proteínas de membrana.
3. A Bicamada Lipídica
Os lipídeos são biomoléculas insolúveis em água, muito solúveis em solventes orgânicos, tal como o clorofórmio. Eles têm varias funções biológicas: servem como alimento energético, como armazenamento altamente concentrado de energia, como moléculas sinalizadoras e como componentes estruturais de membranas. Notoriamente, dentre as propriedades mais significativas dos lipídeos, estão suas propriedades hidrófobas. Estas propriedades são devidas principalmente ao seu componente principal, os ácidos graxos. Ácidos graxos são cadeias hidrocarbonadas, com vários comprimentos e grau de insaturação, que terminam em carboxilas, grupamentos ácidos. Em sistemas biológicos, no entanto, os ácidos graxos contêm um número par de átomos de carbono, tipicamente entre 14 e 24. Aqueles com 16 e 18 carbonos são os mais comuns.
contendo duas partes, um corpo hidrofílico e uma cauda hidrofóbica. Os fosfolipídeos geralmente agrupam-se em três formas distintas em solução. As lâminas de bicamadas, as micelas – vesículas com um interior hidrofóbico – e os lipossomos – vesículas com interior aquoso (Fig. 3.3).
Figura 3. 3 – Representação das secções da estrutura de micela, lipossoma e bicamada de fosfolipídeos. (http://bioweb.wku.edu/courses/biol22000/2Bonds/images/F02-20.JPG)
A estrutura favorecida para a maioria dos fosfolipídeos e glicolipídeos em meios aquosos é uma estrutura de bicamada, em vez de uma micela. O motivo é que as cadeias de ácidos graxos de um fosfolipídeo ou glicolipídeo são muito volumosas para se adaptarem no interior de uma micela. Em contraste, os sais de ácidos graxos - tais como o palmitato de sódio, um constituinte do sabão - formam micelas prontamente. A formação de bicamadas em vez de micelas é de importância biológica crítica. Uma micela é uma estrutura limitada, geralmente com menos de 20 nm de diâmetro. Por outro lado, uma lâmina bimolecular pode ter dimensões macroscópicas, de até um milímetro – 10^6 nm. Fosfolipídeos e moléculas similares são constituintes importantes de membranas, porque formam prontamente extensas lâminas bimoleculares. A formação de bicamadas lipídicas é um processo de automontagem. Em outras palavras, a estrutura do agregado é intrinsecamente dependente da estrutura das moléculas lipídicas constituintes. O crescimento de bicamadas lipídicas a partir de fosfolipídeos é um processo rápido e espontâneo na água. As interações hidrófobas são as principais forças diretoras da formação de bicamadas lipídicas. Além disso, a força atrativa de van der Waals entre as caudas hidrocarbonadas favorecem o empacotamento
das caudas. Finalmente, há as atrações eletrostáticas e as pontes de hidrogênio entre as cabeças polares e moléculas de água. Deste modo, as bicamadas lipídicas são estabilizadas por todo o conjunto das forças que participam das interações moleculares dos sistemas biológicos. Como as bicamadas lipídicas são mantidas juntas por muitas interações não covalentes de reforço – predominantemente hidrófobas, elas são estruturas cooperativas. Estas interações hidrófobas têm três conseqüências biológicas significativas: (1) as bicamadas lipídicas têm uma tendência inerente a serem extensas; (2) as bicamadas lipídicas tendem a fechar-se sobre si mesmas para que não haja bordas com cadeias hidrocarbonadas expostas, o que resulta na formação de compartimentos e (3) as bicamadas lipídicas são auto-selantes porque um orifício em uma bicamada é energeticamente desfavorável.
3. A mobilidade dos lipídeos na membrana
As membranas plasmáticas não são estruturas rígidas, estáticas. Pelo contrário, os lipídeos e muitas proteínas de membrana estão em constante movimento lateral, em um processo denominado de difusão lateral, proporcionando uma fluidez à membrana. O coeficiente de difusão dos lipídeos em várias membranas é em torno de 1 μm^2 s -1^. Esta velocidade significa que uma molécula lipídica pode se locomover de uma extremidade de uma bactéria para outra em um segundo. A ordem de grandeza do coeficiente de difusão observado indica que a viscosidade da membrana é cerca de cem vezes maior do que a da água, bem próxima do azeite de oliveira. Por outro lado, as proteínas variam muito em sua mobilidade lateral. Algumas proteínas são quase tão móveis quanto os lipídeos, ao passo que outras são virtualmente imóveis. Os lipídios também podem girar em torno de seu próprio eixo, apresentar movimentos de flexão por causa das cadeias de hidrocarbonetos e migrar de uma monocamada para outra. Embora a difusão lateral possa ser rápida, a rotação espontânea de lipídeos de uma face de uma membrana para a outra é um processo bem lento. O deslocamento de uma molécula de uma superfície da membrana para a outra é chamado de difusão transversa, ou flip-flop. Uma molécula de fosfolipídeo leva cerca de 10^9 mais
lipídeos orientados e de proteínas globulares. A bicamada lipídica tem um duplo papel: é um solvente para proteínas integrantes de membrana e também é uma barreira de solubilidade. As proteínas de membrana são livres para difundirem lateralmente na matriz lipídica, a menos que sejam restritas por interações especiais. As proteínas de membranas podem ser classificadas como sendo periféricas ou integrantes, dependendo da dissociabilidade da proteína. As proteínas integrantes de membrana interagem amplamente com as cadeias lipídicas. A maior parte das proteínas integrantes de membrana conhecidas atravessa a bicamada lipídica. As proteínas periféricas de membranas ligam-se primariamente às cabeças polares dos lipídeos, por interações eletrostáticas e pontes de hidrogênio. Estas interações polares podem ser rompidas pela adição de sais ou por alteração do pH. Não obstante a variedades de tipos de membranas, algumas características comuns das membranas podem ser enunciadas: (1) As membranas são constituídas principalmente de lipídeos e proteínas. Sua proporção de massas vai de 1:4 a 4:1. As membranas também contêm glicídeos que se ligam aos lipídeos e às proteínas; (2) Os lipídeos de membranas são moléculas relativamente pequenas que tem tanto uma porção hidrófila quanto uma hidrófoba. Estes lipídeos formam espontaneamente bicamadas fechadas em meios aquosos. Estas bicamadas lipídicas são barreiras ao fluxo de moléculas polares; (3) Proteínas específicas exercem funções distintas nas membranas. Elas funcionam como bombas, canais, receptores, transformadores de energia e enzimas. As proteínas de membrana são embutidas em bicamadas lipídicas, as quais criam ambientes adequados a sua ação; (4) As membranas são montagens não covalentes. As moléculas de proteínas e de lipídeos que as constituem são mantidas juntas por muitas interações não covalentes, interações que são cooperativas; (5) As membranas são assimétricas. As duas faces das membranas biológicas sempre diferem uma da outra; (6) As membranas são estruturas fluidas. As moléculas lipídicas difundem- se rapidamente no plano da membrana, assim como as proteínas, a menos que sejam ancoradas por interações específicas. Em contraste, as moléculas de
lipídeos e proteínas não giram facilmente através da membrana. As membranas podem ser consideradas como soluções bidimensionais de proteínas e lipídeos orientados.
3. Bombas e Canais de Membrana
A bicamada lipídica das membranas biológicas é intrinsecamente permeável a íons e moléculas polares. Contudo, sua permeabilidade seletiva é conferida por duas classes de proteínas de membrana, as bombas e os canais. Abaixo temos uma ilustração da bomba de Na +-K+^ ATPase.
Figura 3. 5 – Bomba de Na +-K+^ ATPase. (modificada de Biologia Molecular da Célula, 4ª edição, Alberts, B., Artmed editora, 2004.)
As bombas utilizam uma fonte de energia livre como o ATP ou a luz para impulsionar o transporte termodinamicamente desfavorável de íons ou moléculas. A ação das bombas é um exemplo de transporte ativo. A concentração de K+^ é tipicamente de 10 a 20 vezes maior no interior celular que no exterior, enquanto que com Na +^ ocorre o inverso. Estas diferenças de concentração são mantidas por uma bomba chamada de bomba de Na+-K+^ ATPase ou, simplesmente, de bomba de Na +, que é encontrada na membrana plasmática de todas as células animais. A bomba de Na+, K+-ATPase opera como um antiporte, bombeando Na + ativamente para fora da célula contra seu acentuado gradiente eletroquímico, e bombeando K+^ para o interior. Devido ao fato de a bomba hidrolisar ATP para
os canais iônicos e os poros aquosos simples é que os canais iônicos não estão abertos continuamente, eles são controlados, o que lhes permite abrir por um breve tempo e então fechar novamente. Os dois fatores que determinam se uma molécula cruzará uma membrana são: a permeabilidade da molécula em uma dupla camada lipídica e a disponibilidade de uma fonte de energia. Determinadas moléculas podem passar pela membrana porque se dissolvem na bicamada lipídica. Tais moléculas são denominadas de lipófilas. Tais moléculas passarão através de uma membrana a favor de seu gradiente de concentração, num processo dito de difusão simples. De acordo com a segunda lei da termodinâmica, as moléculas movem-se espontaneamente de uma região de maior concentração para uma de menor concentração. Portanto, um aumento de entropia impulsiona o transporte através da membrana. Na maioria dos casos um canal iônico abre em resposta a um estímulo específico. Os principais estímulos conhecidos por causar a abertura de canais iônicos são: mudança de voltagem através da membrana, nos canais controlados por voltagem, um estresse mecânico, nos canais controlados mecanicamente ou a ligação de um ligante, nos canais controlados por ligantes. O ligante pode ser tanto um mediador extracelular, especificamente um neurotransmissor, canais controlados por transmissor, ou um mediador intracelular, como um íon, canais controlados por íons, ou um nucleotídeo, canais controlados por nucleotídeo.
