Baixe Guia de estudos, aula 8, lipídios e outras Notas de estudo em PDF para Energia, somente na Docsity!
QBQ0204 Bioquímica: Estrutura de Biomoléculas e Metabolismo
Guia de estudos
Aula 8 : Lipídios
Seguindo o padrão adotado temos as leituras básica, complementar e
avançada, retiradas de A. Marzzocco e B. B. Torres - Bioquímica Básica, 4ª ed.
(Guanabara, 2015) e D.L. Nelson e M.M. Cox - Princípios de Bioquímica de
Lehninger, 7ª ed. (Artmed, 2018 ). Observe que as leituras dessa aula
contemplam a estrutura de lipídios assim como as membranas biológicas. No
caso das leituras complementares há uma para cada um desses temas, retirados
do livro Princípios de Bioquímica de Lehninger.
6.2.
Apesar disto, a presença de fibras na alimentação resulta em efeitos fisiológicos benéficos (Seção 18.2.3). As funções dos carboidratos são bastante diversificadas, incluindo a sustentação (celulose nos vegetais, quitina nos animais) e a reserva (glicogênio nos animais, amido nos vegetais), além de poderem estar ligados a lipídios e proteínas, formando os glicolipídios e as glicoproteínas, componentes de membranas (Seção 7.3).
Estrutura de lipídios
Os lipídios (lipos, em grego, significa gordura) constituem uma classe de compostos caracterizados por sua alta solubilidade em solventes orgânicos e por serem praticamente insolúveis em água. Apresentam estrutura bastante variada e exercem diversas funções biológicas, como reservas de energia e componentes de membranas e outras estruturas celulares; eles próprios ou seus derivados têm também função de vitaminas e hormônios. São indispensáveis na dieta dos seres humanos, por incluírem os ácidos graxos essenciais (Seção 16.6) e as vitaminas lipossolúveis.
Ácidos graxos Os ácidos graxos são ácidos monocarboxílicos, geralmente com uma cadeia carbônica longa, com número par de átomos de carbono e sem ramificações, podendo ser saturada ou conter uma insaturação (ácidos graxos monoinsaturados) ou duas ou mais insaturações (ácidos graxos poliinsaturados ). O grupo carboxila constitui a região polar e a cadeia carbônica, a parte apolar (Figura 6.6).
Figura 6.6 Estrutura de dois ácidos graxos com 18 carbonos: ácido esteárico, saturado (a) e ácido oleico, insaturado (b). A presença da dupla ligação cis resulta em uma dobra na molécula. À esquerda das fórmulas estruturais, estão as suas representações tridimensionais.
Os nomes triviais dos ácidos graxos^2 , em geral, derivamse das fontes onde são encontrados em abundância. Assim, ácido palmítico do óleo de palma (ou azeite de dendê), ácido oleico do óleo de oliva, linoleico e linolênico do óleo de linhaça etc. Os ácidos graxos mais comuns são os de 16 e 18 carbonos (Tabela 6.1). Os átomos de carbono podem ser indicados por números ou por letras. A numeração iniciase no grupo carboxila (carbono 1 ou C 1 ) e aumenta em direção à extremidade oposta, formada pelo grupo metila. No sistema de denominação por letras, o carbono 2 é o carbono α, o carbono 3 é o carbono β e assim por diante, e o carbono do terminal CH 3 é o carbono ω (ômega, a última letra do alfabeto
grego), também denominado carbono n (Figura 6.7). Para a identificação da posição das duplas ligações na cadeia carbônica, empregamse diferentes sistemas de representação. No sistema delta (∆), adotase a numeração convencional dos átomos de carbono, a partir da extremidade carboxila e todas as duplas ligações do ácido graxo são identificadas. Cada dupla ligação é representada pelo símbolo ∆, seguido pelo
O sistema ∆ permite identificar a posição de todas as insaturações presentes no ácido graxo, especificando, sem ambiguidade, cada molécula, enquanto os sistemas ω e n revelam apenas a posição da dupla ligação mais próxima do grupo metila terminal. As designações ω3 e ω6 geralmente não são acompanhadas da indicação do número de átomos de carbono e nem do número de insaturações, de modo que englobam duas famílias de ácidos graxos e não apenas um deles. Um ácido graxo costuma ser representado por uma abreviação que indica o número de átomos de carbono, seguido por doispontos, o número de duplas ligações e a posição das insaturações na cadeia de carbono, posição esta que pode ser mostrada segundo um dos sistemas descritos, sendo o sistema delta (∆), o mais adequado. O ácido linoleico, que tem 18 carbonos e duas insaturações, uma entre os carbonos 9 e 10 e a outra entre os carbonos 12 e 13, pode ser abreviado por:
18:2 Δ9,12 (ou 18:2 Δ9,12) ou 18:2 ω6 ou 18:2 n 6
As propriedades físicas dos ácidos graxos e dos lipídios deles derivados dependem da ocorrência ou não de insaturações na cadeia de hidrocarboneto e do seu comprimento. As cadeias dos ácidos graxos saturados são flexíveis e distendidas, podendo associarse extensamente umas com as outras por meio de interações hidrofóbicas ( Figura 6.8 a). Os ácidos graxos insaturados naturais têm, quase sempre, duplas ligações com configuração geométrica cis, isto é, os átomos de hidrogênio dispõemse do mesmo lado da dupla ligação ( Figura 6.6 b) — a dupla ligação cis produz uma dobra rígida na cadeia, o que determina a formação de agregados menos compactos e, portanto, menos estáveis (Figura 6.8 b). O comprimento da cadeia também interfere no grau de interação entre moléculas de ácidos graxos, que é tanto maior quanto mais longa for a cadeia. A intensidade de associação entre as moléculas de ácidos graxos refletese no valor do seu ponto de fusão, já que a passagem do estado sólido para o líquido envolve ruptura parcial de interações intermoleculares. De modo geral, a temperatura de fusão dos ácidos graxos diminui com o número de insaturações e aumenta com o comprimento da cadeia, como mostram os exemplos da Tabela 6.2. O ácido esteárico (saturado) e o ácido oleico (uma insaturação), ambos com 18 carbonos, têm pontos de fusão muito diferentes. Por outro lado, o ponto de fusão do ácido esteárico é pouco maior do que o ponto de fusão do ácido palmítico, que tem dois carbonos a menos. Assim, a presença de uma dupla ligação em ácidos graxos com o mesmo número de carbonos reduz drasticamente o ponto de fusão, enquanto um número menor de carbonos leva a um decréscimo menor — o efeito das insaturações é maior do que aquele do comprimento da cadeia. A consistência dos ácidos graxos (e seus derivados) à temperatura ambiente é uma consequência das suas propriedades: ácidos graxos saturados com mais de 14 carbonos são sólidos e, se possuírem pelo menos uma dupla ligação, são líquidos. O grau de fluidez das membranas biológicas depende, então, do tipo de ácido graxo presente nos seus lipídios estruturais. Ácidos graxos livres são pouco encontrados nos organismos; mais frequentemente estão ligados a um álcool, que pode ser o glicerol ou a esfingosina. Os lipídios resultantes no primeiro caso, são os triacilgliceróis e os glicerofosfolipídios; no segundo caso, são os esfingolipídios (Figura 6.9).
Figura 6.8 Interação entre moléculas de ácidos graxos saturados (a) e entre saturados e insaturados (b). A presença de duplas ligações reduz o grau de interação entre moléculas vizinhas.
Tabela 6.2 Temperatura de fusão de ácidos graxos. Ácido graxo Número de carbonos Número de insaturações Temperatura de fusão (ºC) Esteárico 18 0 69, Oleico 18 1 13,
6.2.
Palmítico 16 0 63,
Figura 6.9 Esquema geral de lipídios que contêm ácidos graxos. ℗ = grupo fosfato.
Triacilgliceróis Os lipídios mais abundantes na natureza são os triacilgliceróis (também denominados triglicerídios ou triglicérides), constituídos por três moléculas de ácidos graxos esterificadas a uma molécula de glicerol, ou seja, apresentam três grupos
acila^3 ligados a glicerol (Figura 6.10). Compostos contendo um grupo acila (monoacilgliceróis) ou dois destes grupos (diacilgliceróis) e glicerol encontramse em quantidades pequenas nas células, existindo como intermediários de vias de síntese e degradação de lipídios. As gorduras animais e os óleos vegetais são misturas de triacilgliceróis, que diferem na sua composição em ácidos graxos e, consequentemente, no seu ponto de fusão. Os triacilgliceróis das gorduras animais são ricos em ácidos graxos saturados, o que atribui a esses lipídios uma consistência sólida à temperatura ambiente; os de origem vegetal, ricos em ácidos graxos insaturados, são líquidos. Os óleos vegetais são utilizados para a fabricação de margarinas por um processo de hidrogenação, que reduz parte de suas duplas ligações e os torna sólidos à temperatura ambiente. O valor nutricional de lipídios de origem animal ou vegetal está analisado na Seção 18.2.4. Os triacilgliceróis podem ser hidrolisados, liberando ácidos graxos e glicerol. Se esta hidrólise é feita em meio alcalino, formamse sais de ácidos graxos, os sabões, e o processo é chamado saponificação. Este é o princípio da fabricação de sabões a partir de gordura animal fervida em presença de NaOH ou KOH. Atualmente, os sabões vêm sendo substituídos por detergentes sintéticos (geralmente alquil benzeno sulfonatos) para a solubilização de materiais insolúveis em água, tanto na esfera doméstica como na industrial. O detergente SDS (Seção 2.8) é largamente empregado em laboratórios de pesquisa, para a solubilização de lipídios e para o isolamento de proteínas.
Figura 6.10 Triacilglicerol formado pela esterificação de um ácido palmítico e dois ácidos oleicos ao glicerol. Por simplificação, foi omitida a forma angular das cadeias insaturadas.
Os triacilgliceróis são reservas de energia
Os triacilgliceróis são compostos essencialmente apolares, pois as regiões polares de seus precursores (hidroxilas do
6.2.
Figura 6.11 Glicerofosfolipídios. A porção hidrofílica de sua molécula consta do grupo fosfato unido por ligação éster a um outro grupo polar, variável, representado por X; as cadeias carbônicas dos ácidos graxos esterificados ao glicerol constituem a porção hidrofóbica.
Por conterem fosfato, os glicerofosfolipídios e as esfingomielinas (descritas na seção seguinte) são denominados fosfolipídios (Figura 6.9).
Es䎇ngolipídios A estrutura geral dos esfingolipídios (Figura 6.12) assemelhase à dos glicerofosfolipídios. Todavia, os esfingolipídios não contêm glicerol e seu esqueleto básico é formado por um aminoálcool contendo uma longa cadeia de hidrocarboneto, que, mais frequentemente, é a esfingosina. O grupo amino da esfingosina ligase a um ácido graxo por uma ligação amídica, originando ceramida. A ligação de uma estrutura polar ao carbono 1 da ceramida forma os esfingolipídios, que, de acordo com a natureza da estrutura polar, podem ser classificados em três tipos: esfingomielinas, cerebrosídios e gangliosídios. Nas esfingomielinas, descobertas na bainha de mielina que envolve os axônios de neurônios, a porção polar é uma fosforilcolina. A presença do grupo fosfato nas esfingomielinas permite classificálas, juntamente com os glicerofosfolipídios, como fosfolipídios (Figura 6.9). Nos cerebrosídios, a ceramida ligase a um açúcar, que pode ser glicose ou galactose. Os gangliosídios são ainda mais
6.2.
complexos, por apresentarem uma região polar composta por oligossacarídios, às vezes ramificados, com a inclusão de açúcares aminados nas extremidades. Os cerebrosídios e os gangliosídios são encontrados predominantemente no cérebro, ocorrendo em quantidades menores nos outros tecidos. São referidos conjuntamente, como glicolipídios (Figura 6.9).
Figura 6.12 Esfingolipídios. Os membros desta classe de lipídios diferem quanto ao grupo polar (simbolizado por X) ligado à ceramida; a porção apolar da molécula dos esfingolipídios é formada pelas cadeias carbônicas da esfingosina e do ácido graxo, os componentes da ceramida. Os monossacarídios componentes da cadeia de oligossacarídios dos gangliosídios são: glicose (Gli), galactose (Gal), Nacetilgalactosamina (NAcGal) e ácido Nacetilneuramínico ou ácido siálico (NAcNeu).
Esteroides Os esteroides são lipídios que apresentam um núcleo tetracíclico característico em sua estrutura. O compostochave deste grupo é o colesterol (Figura 6.13), não apenas por ser o esteroide mais abundante dos tecidos animais, como por servir de precursor à síntese de todos os outros esteroides, que incluem hormônios esteroides (hormônios sexuais e do córtex das glândulas suprarrenais), sais biliares e vitamina D. O colesterol tem, ainda, uma função estrutural importante nas membranas de células animais. O colesterol, no organismo humano, é transportado pelas lipoproteínas plasmáticas, geralmente ligado a ácidos graxos insaturados, como o ácido linoleico, formando ésteres de colesterol — a ligação éster formase entre o grupo hidroxila do colesterol e a carboxila do ácido graxo; esta também é a forma de armazenamento de colesterol dentro das células. Apesar de desempenhar funções absolutamente essenciais, o colesterol é muito conhecido por sua associação com a aterosclerose (Seção 20.8). Nos vegetais, o teor de colesterol é, em média, 100 vezes menor do que nos animais — em óleos vegetais é tão baixo que, para fins dietéticos, é considerado igual a zero. As plantas contêm quantidades consideráveis de outros esteroides, os fitoesteroides, que diferem do colesterol quanto aos substituintes da cadeia lateral.
Figura 6.14 Esquema geral das lipoproteínas plasmáticas. O modelo aplicase a todas as classes de lipoproteínas, lembrando que elas diferem quanto à proporção entre os lipídios transportados (Tabela 6.3) e quanto ao tipo de apolipoproteína associada à monocamada periférica. (Adaptada de Lieberman M, Marks AD: Mark’s Basic Medical Biochemistry — A Clinical Approach, 4th ed. Lippincott Wiliams & Wilkins, 2013, p. 590 — Fig. 32.8.)
As lipoproteínas plasmáticas são classificadas segundo a sua densidade, que é tanto menor quanto maior for o seu teor de lipídios (Tabela 6.3). O diâmetro das lipoproteínas decresce de 10^3 nm nos quilomícrons até 10 nm nas HDL. A composição dessas partículas sofre modificações contínuas, devido à troca de moléculas de lipídios e de apolipoproteínas, por meio de processos ainda não totalmente elucidados. Seguese uma descrição sucinta das principais classes de lipoproteínas.
Tabela 6.3 Composição das lipoproteínas plasmáticas.
Lipoproteína
Densidade (g
- cm– 3) Proteínas (%) Lipídios (%)
Porcentagem dos lipídios totais
Fosfolipídios Colesterol Triacilgliceróis
Ésteres de colesterol Quilomícrons 0,90 2 98 8 2 87 4 VLDL 0,98 8 93 18 8 58 13 IDL 1,01 17 83 24 9 30 28 LDL 1,04 22 78 22 9 10 42 HDL 1,14 48 53 33 7 8 21
Os dados apresentados são os valores médios de indivíduos normais. As apolipoproteínas foram omitidas.
Os quilomícrons são sintetizados na mucosa intestinal a partir dos lipídios da dieta, que, desta forma, são transportados aos tecidos; são especialmente ricos em triacilgliceróis. As VLDL (Very Low Density Lipoproteins) têm origem hepática e transportam triacilgliceróis e colesterol para os outros tecidos; originam as IDL (Intermediate Density Lipoproteins) e as LDL (Low Density Lipoproteins), ricas em colesterol, predominantemente na forma de ésteres de colesterol. As LDL são a principal fonte de colesterol para os tecidos, exceto fígado e intestinos; elas penetram nas células através de endocitose (Seção 7.4.2). As HDL (High Density Lipoproteins) têm função oposta à das LDL, atuando na remoção de colesterol dos tecidos para o fígado.
A atuação das lipoproteínas no transporte de lipídios está analisada nas Seções 18.2.4 e 20.8.
Bibliogra䎇a
Ball S, Morell MK: From bacterial glycogen to starch: understanding the biogenesis of the starch granule. Annu Rev Plant Biol 54 : 207233,
Behrman EJ, Gopalan V: Cholesterol and plants. J Chem Educ 82 (12): 17911793, 2005. Curi R et al.: Entendendo a Gordura — Os Ácidos Graxos. Editora Manole Ltda., 2002. Fahy E et al.: Lipid classification, structures and tools. Biochim Biophys Acta 1811 (11): 637647, 2011. Lomako J et al.: Glycogenin: the primer for mammalian and yeast glycogen synthesis. Biochim Biophys Acta 1673 : 4555, 2004. Silbernagel G et al.: Plant sterols and atherosclerosis. Curr Opin Lipidol 24 (1): 1217, 2013. Zeqiraj E et al.: Structural basis for the recruitment of glycogen synthase by glycogenin. Proc Natl Acad Sci U S A 111 (28): E2831E2840,
As células eucarióticas, constituintes dos animais, vegetais, protozoários, fungos e da maioria das algas, além de serem envolvidas pela membrana plasmática, apresentam sistemas internos de membranas, que delimitam organelas subcelulares, como núcleo, mitocôndria, retículo endoplasmático, complexo de Golgi e vários tipos de vacúolos, incluindo lisossomos. Organelas não são encontradas nas células procarióticas, como as bactérias. A membrana plasmática é o elemento mediador da comunicação entre a célula e o seu meio externo. Constitui uma barreira altamente seletiva, que determina a criação de um compartimento interno com composição química própria, diferente do meio externo. Além disto, possibilita a captação de sinais extracelulares (hormônios, por exemplo), participando dos processos de reconhecimento e comunicação entre as células. Sua flexibilidade permite mudanças na forma da célula e, em alguns casos, sua locomoção. Lipídios e proteínas componentes da membrana plasmática participam de processos metabólicos fundamentais. A coordenação do metabolismo das células eucarióticas depende, em grande parte, da compartimentalização estabelecida pelas membranas intracelulares: isolamento de vias metabólicas, alterações localizadas de pH e da concentração de metabólitos etc. Constituem, ainda, um suporte para a disposição organizada de sistemas enzimáticos, aumentando muito a eficiência da catálise. As membranas biológicas, apesar de desempenharem funções tão diversificadas, exibem características estruturais comuns.
Interações entre lipídios an䌷檪páticos: a bicamada lipídica
Lipídios anfipáticos, quando adicionados a um meio aquoso, tendem a agregarse, organizandose espontaneamente em estruturas plurimoleculares. Estas estruturas maximizam as interações hidrofóbicas entre as cadeias carbônicas, isolandoas da água, e deixam os grupos polares em contato com o solvente, com o qual podem interagir. Tais arranjos moleculares constituem o estado de menor energia livre para esses lipídios em água e resultam da presença de duas regiões com solubilidade diferente na mesma molécula. O tipo de estrutura formada é determinado pela geometria da molécula do lipídio anfipático (Figura 7.1). Lipídios e seus derivados com uma única cadeia carbônica, como ácidos graxos, sabões e detergentes, devido à forma cônica e afilada de suas moléculas, constituem, preferencialmente, micelas (Figura 7.1 a). Nestas estruturas esféricas, as cadeias de hidrocarboneto dispõemse no interior, separadas da água, e os grupos polares posicionamse na superfície externa, interagindo com o solvente. A formação de micelas é uma etapa importante na digestão dos lipídios da dieta. As moléculas dos glicerofosfolipídios e esfingolipídios têm uma forma cilíndrica, devido à presença de duas cadeias apolares. Tal estrutura favorece sua agregação mais estável em uma camada dupla de moléculas, a bicamada lipídica (Figura 7.1 b). As moléculas de lipídios alinhamse lado a lado, compondo duas monocamadas; as cadeias carbônicas das monocamadas agrupamse frente a frente, de modo a criar um domínio hidrofóbico no meio da bicamada; os grupos hidrofílicos dispõemse na superfície das duas faces da bicamada, interagindo com a água. O colesterol pode intercalarse entre os lipídios anfipáticos que constituem as bicamadas lipídicas. Bicamadas lipídicas tendem a converterse em estruturas fechadas, que são mais estáveis, por não apresentarem caudas hidrofóbicas expostas ao solvente, como acontece na periferia das bicamadas planas. Denominamse lipossomos essas vesículas esféricas sintéticas constituídas por uma bicamada lipídica contínua, delimitando uma cavidade interna preenchida por solvente (Figura 7.1 c). Podem ser produzidos com moléculas de um único tipo ou de diferentes tipos de lipídios anfipáticos. Os lipossomos têm sido empregados como modelos para o estudo de bicamadas lipídicas e membranas.
Figura 7.1 Estruturas formadas por lipídios anfipáticos em meio aquoso. a) Micelas são formadas por moléculas de lipídios com uma única cadeia carbônica, cadeias estas que se localizam no interior dessas estruturas. b) A bicamada lipídica é uma estrutura bidimensional na qual as cadeias carbônicas formam um domínio central hidrofóbico, isolandose da água, exceto nas extremidades da bicamada; é a estrutura comumente formada por lipídios anfipáticos com duas cadeias de hidrocarboneto. c) Lipossomo é uma vesícula oca, resultante do fechamento de uma bicamada lipídica, dotada de uma cavidade central preenchida por solvente.
Experiências com lipossomos demonstram que a bicamada lipídica permite a livre difusão de moléculas apolares, mas é essencialmente impermeável a compostos iônicos ou polares, insolúveis no centro hidrofóbico da bicamada (Seção 7.4.1). A bicamada lipídica isola o conteúdo do lipossomo do líquido externo. Apesar disto, os mais diversos compostos, desde que estejam presentes no meio utilizado para a formação das vesículas, podem ser englobados no seu compartimento interno. Graças a esta propriedade, os lipossomos constituem uma via importante para a administração de medicamentos. Estas substâncias são encapsuladas em lipossomos, que são transportados pela circulação até os tecidos; por fusão das vesículas com a membrana plasmática, os fármacos são introduzidos diretamente nas células. O preparo de lipossomos específicos para o tecidoalvo pretendido permite evitar a atuação inespecífica de agentes farmacológicos, reduzindo a ocorrência de efeitos colaterais indesejáveis.
A consistência da bicamada lipídica depende da temperatura e de sua composição
As bicamadas lipídicas sofrem mudança de estado físico em uma temperatura característica, chamada temperatura de transição, análoga ao ponto de fusão dos ácidos graxos. Essa mudança de fase é devida à alteração do grau de interação das cadeias de hidrocarboneto constituintes da bicamada. Abaixo da temperatura de transição, as cadeias são mais ordenadas e interagem fortemente, e a bicamada tem uma consistência sólida; acima dessa temperatura, elas são mais desordenadas e menos compactadas, o que determina um estado líquido. A temperatura de transição de bicamadas é grandemente influenciada pela natureza dos lipídios anfipáticos que a compõem: é tanto maior quanto maior for o teor de ácidos graxos com cadeias saturadas e longas, o inverso acontecendo em relação a ácidos graxos com cadeias insaturadas e curtas (Seção 6.2.1).
7.2.
(esfingomielinas e glicolipídios) são virtualmente ausentes.
As membranas biológicas são 䍄檪uidas
A consistência das membranas celulares, como acontece com as bicamadas lipídicas sintéticas, varia com o grau de insaturação e o comprimento das cadeias carbônicas dos seus lipídios estruturais e, também, com a temperatura. Seres vivos cuja temperatura flutua com a do meio ambiente — plantas, bactérias e animais ectotérmicos — modificam a composição em ácidos graxos de suas membranas em resposta a alterações da temperatura ambiente, de modo que a sua fluidez seja sempre constante. A temperatura corpórea dos animais endotérmicos é sempre maior que a temperatura de transição de suas membranas: as membranas dos mamíferos são líquidas a 37°C. Em resumo, as membranas dos seres vivos são fluidas, com consistência semelhante à da parafina líquida. O colesterol, nas células de mamíferos, constitui um fator adicional importante de regulação das propriedades físico químicas das membranas. Suas moléculas intercalamse na bicamada lipídica, a hidroxila interagindo com os grupos polares dos fosfolipídios e os anéis esteroídicos com as cadeias carbônicas. Os anéis hidrofóbicos, de estrutura plana e rígida, orientamse paralelamente aos fosfolipídios e induzem o alinhamento e a redução da movimentação das cadeias carbônicas dos fosfolipídios; o resultado é o aumento da rigidez e da espessura da membrana. Todavia, como a molécula de colesterol não alcança o centro da bicamada — o anel tetracíclico associase, em média, com os primeiros 10 carbonos das cadeias de hidrocarboneto dos fosfolipídios — é a porção periférica da membrana que se torna mais densa. A intensidade de tais efeitos depende ainda da estrutura dos fosfolipídios: a interação do colesterol com as cadeias saturadas é maior do que com as insaturadas. Essas alterações são relativas e o estado fluido, característico das membranas biológicas, permanece. Diversas condições patológicas são relacionadas com alterações da consistência de membranas. No alcoolismo crônico, há um aumento significativo do teor de colesterol da membrana plasmática das hemácias, o que reduz a fluidez da membrana. Estas células são menos resistentes à hemólise e adquirem uma forma anormal, o que ocasiona a sua destruição pelo baço prematuramente, resultando em um estado anêmico. O álcool e determinados agentes farmacológicos, como os anestésicos, também atuam diretamente nas membranas do sistema nervoso central, alterando o seu estado físico.
O colesterol participa da formação de lipid rafts e cavéolas
A consistência fluida das membranas biológicas não existe em toda a sua extensão. Na década de 1990, verificouse a existência de domínios na membrana plasmática, formados por interação entre moléculas de colesterol (abundante nessa membrana) e de esfingomielinas (contêm cadeias acila saturadas, que se associam fortemente com o anel esteroídico), além de determinadas proteínas integradas. Esses domínios destacamse por sua estrutura mais rígida e compacta que o restante da membrana e foram chamados de rafts (plataformas). Cavéolas são um tipo especial de rafts, formadas por depressões da membrana plasmática revestidas internamente pela proteína caveolina; as cavéolas medeiam o transporte por endocitose (Seção 7.4.2). A função de rafts e cavéolas seria tornar mais eficientes os sistemas de transporte e de transdução de sinal (Seção 19.3) das membranas biológicas.
As duas monocamadas contêm lipídios diferentes
A estrutura líquida das membranas naturais permite que as moléculas de lipídios possam moverse lateralmente, dentro da monocamada da qual fazem parte. Esta difusão é tão rápida que uma molécula de lipídio poderia dar a volta ao redor de uma bactéria (perímetro de 1 a 2 μm) em cerca de 1 segundo. Por outro lado, a migração espontânea de lipídios de uma monocamada para a outra é extremamente rara, porque exige que a porção polar da molécula deixe de interagir favoravelmente com a água e atravesse o centro hidrofóbico da bicamada, um processo muito endergônico. O resultado desta impossibilidade é uma distribuição assimétrica de lipídios: as duas monocamadas são constituídas por lipídios diferentes. As membranas plasmáticas de células animais são especialmente assimétricas: fosfatidilcolina e esfingomielina são encontradas predominantemente na monocamada externa e fosfatidilserina e fosfatidiletanolamina, na monocamada interna; os glicolipídios localizamse apenas na monocamada externa. A passagem de lipídios de uma monocamada para outra ocorre em determinadas situações e é catalisada por famílias de enzimas denominadas flipases.
Modelo do mosaico 䍄檪uido A estrutura das membranas biológicas — a disposição das proteínas na bicamada lipídica — é descrita pelo modelo do mosaico fluido (Figura 7.2), proposto por Singer e Nicholson em 1972. Segundo o modelo, os componentes interagem por meio de ligações não covalentes e podem difundirse lateralmente em um meio de consistência líquida. O grau de interação de proteínas com a bicamada lipídica é variável. Muitas proteínas de membrana estão imersas na
bicamada lipídica, associandose fortemente às cadeias apolares dos lipídios, por meio de interações hidrofóbicas. Estas proteínas, chamadas integradas, são extraídas somente após ruptura da membrana por tratamento com detergentes, solventes orgânicos etc.; ainda assim, são obtidas com moléculas de lipídios aderidas e são insolúveis em água. A maioria das proteínas integradas estendese transversalmente na membrana graças à presença de três domínios em sua estrutura: dois domínios hidrofílicos terminais, ricos em aminoácidos polares, e um domínio hidrofóbico central, com predominância de aminoácidos apolares. O domínio central interage com o interior hidrofóbico da bicamada e os outros dois ficam expostos, interagindo com a água nos dois lados da membrana. O domínio que atravessa a membrana tem, frequentemente, estrutura em αhélice e folha β pregueada. Outras proteínas integradas, além do domínio hidrofóbico, têm apenas um domínio hidrofílico exposto em uma das superfícies da membrana. As proteínas transportadoras de elétrons da membrana interna da mitocôndria, com exceção do citocromo c, são exemplos de proteínas integradas. Uma segunda classe de proteínas, denominadas periféricas, associase à superfície da membrana por ligações de hidrogênio ou interações iônicas, estabelecidas com grupamentos polares dos lipídios da bicamada. Estas ligações podem ser rompidas por procedimentos que não perturbam significativamente a estrutura da membrana, como o tratamento com ureia ou soluções salinas concentradas. Após extração, as proteínas periféricas são solúveis em água e o exemplo clássico é o citocromo c. Algumas proteínas periféricas associamse a regiões de proteínas integradas expostas em uma das faces da membrana; outras se ligam a determinadas moléculas de lipídios da bicamada, que atuam como verdadeiras âncoras. A extensão da cadeia polipeptídica que fica incluída na bicamada ou projetada para fora está intimamente relacionada com a função da proteína. Assim, proteínas que atuam como antígenos de superfície têm, via de regra, uma porção externa maior que o segmento intramembrana. Em outros casos, a cadeia polipeptídica pode atravessar várias vezes a bicamada lipídica, formando estruturas que viabilizam o transporte de metabólitos através de membranas (Seção 7.4).
Figura 7.2 Esquema de uma membrana plasmática, baseado no modelo do mosaico fluido. Os oligossacarídios de glicoproteínas e glicolipídios projetamse para o exterior da célula. A proporção entre o tamanho das moléculas não é a verdadeira. Para simplificar o esquema, todas as cadeias carbônicas dos fosfolipídios foram representadas como sendo saturadas.
Qualquer que seja o grau de associação com a matriz lipídica, as proteínas de membrana podem difundirse apenas lateralmente, não passando de uma monocamada para a outra: a membrana apresenta uma distribuição assimétrica de proteínas (Seção 7.3.2), como acontece com os fosfolipídios. A movimentação lateral de proteínas, em algumas circunstâncias, pode ser restringida. Nas hemácias, as proteínas integradas têm sua mobilidade reduzida por estarem ligadas ao citoesqueleto citoplasmático, formado por microfilamentos de actina, espectrina e outras proteínas. As membranas biológicas, graças à sua fluidez, podem fundirse umas com as outras em processos importantes como a divisão celular, a fusão do espermatozoide com o óvulo e a formação de vesículas de exocitose ou de endocitose.
7.4.
pregueada (Figura 7.3 a), que se organizam de modo a formar um tubo, preenchido por água, possibilitando a livre passagem de íons ou moléculas polares. A proteína que constitui o canal não se liga aos compostos transferidos. Outras proteínas transportadoras, denominadas permeases ou translocases (Figura 7.3 b), ligamse reversivelmente a um composto específico de um lado da membrana e transportamno para o outro. O transporte por permeases obedece a uma cinética semelhante à descrita por MichaelisMenten para a reação enzimática ( Seção 5.5): a velocidade do transporte aumenta com a concentração do metabólito até atingir uma velocidade máxima, por saturação da permease. Da mesma forma que as enzimas, as translocases são específicas e inibidas competitivamente por análogos estruturais do metabólito que transportam e não competitivamente por reagentes que se ligam a grupos essenciais da proteína transportadora. As permeases podem ser cotransportadoras, ou seja, o transporte de uma molécula depende da transferência simultânea de outra molécula, no mesmo sentido (simporte) ou no sentido oposto (antiporte); são uniportadoras quando transportam apenas um composto. Exemplos desses tipos de permeases são encontrados na descrição das vias metabólicas. O transporte de compostos mediado por translocases pode ser feito a favor ou contra um gradiente de concentração. No primeiro caso, quando o composto passa de um compartimento, onde a sua concentração é maior, para outro, onde ela é menor, é chamado de transporte facilitado ou passivo. Quando o transporte ocorre contra um gradiente de concentração, ele requer fornecimento de energia e é dito transporte ativo. Esta energia pode ser suprida por ATP ou pelo gradiente eletroquímico gerado pelo bombeamento de prótons acoplado à cadeia de transporte de elétrons. Permeases que medeiam
transporte ativo são a Na+/K+ATPase ( Seção 8.1.2) e as translocases que efetuam o transporte de metabólitos através da membrana interna da mitocôndria (Seção 11.10). Determinadas permeases apresentam motivos estruturais irregulares, denominados hélices descontínuas (Figura 7.3 c), formadas por sequências αhélicepeptídio distendido αhélice. Estas estruturas são encontradas nas aquaporinas, que formam canais para o transporte de água, em translocases antiportadoras de íons, como a Ca^2 +^ ATPase, e nas bombas de prótons do Complexo I da cadeia respiratória (Seção 11.2).
Figura 7.3 Sistemas transportadores de membrana. a) Canal formado por uma porina, com estrutura em βbarril. b) Lactose permease de Escherichia coli, formada por um feixe de 12 αhélices transmembrana; um homólogo de lactose, representado por esferas pretas, ligase à cavidade hidrofílica interna. c) Translocase antiportadora, constituída por várias αhélices e duas hélices descontínuas, representadas em vermelho e amarelo.
Transporte de macromoléculas e partículas: endocitose e exocitose O transporte de macromoléculas (proteínas, ácidos nucleicos, polissacarídios) e partículas através das membranas celulares não é feito por permeases devido ao seu tamanho; esses componentes são englobados em vesículas delimitadas por membranas, que podem ser internalizadas ou exteriorizadas em processos denominados endocitose e exocitose, respectivamente. A exocitose ocorre por fusão de vesículas intracelulares com a membrana plasmática; na endocitose, formamse vesículas a partir de segmentos da membrana plasmática que sofrem invaginação, englobando parte do fluido extracelular, juntamente com os solutos nele presentes. Um tipo especial de endocitose, a endocitose adsortiva ou endocitose mediada pelo receptor, é altamente seletivo, porque requer a ligação da molécula (ou partícula) a ser internalizada a receptores específicos da membrana plasmática. A endocitose adsortiva ocorre em eucariotos, sendo utilizada, por exemplo, para o fornecimento de colesterol para as células. O colesterol, necessário para a síntese de membranas e de vários compostos importantes desses organismos, é transportado no interior das LDL (Seção 6.2.7), na forma esterificada.
O transporte por endocitose (Figura 7.4) iniciase com a adsorção das LDL às células, graças à ligação de sua apolipoproteína a um receptor específico, presente na superfície externa da membrana plasmática. Os complexos receptor LDL localizamse em depressões da membrana plasmática que apresentam, na face em contato com o citoplasma, uma rede formada por uma proteína fibrosa, a clatrina. Estas depressões, chamadas depressões revestidas, são a seguir invaginadas, desprendendose da membrana e originando, no citoplasma, as vesículas revestidas. O revestimento formado pela clatrina é flexível, facilitando o brotamento da vesícula a partir da membrana plasmática. Após perderem esse revestimento, as vesículas fundemse com endossomos, organelas cujo pH ácido induz a dissociação das LDL de seus receptores. Estes e as LDL concentramse em regiões distintas do endossomo, que se organiza em duas vesículas com destinos diferentes. Aquela que contém as LDL fundese com um lisossomo, onde seus componentes são hidrolisados: as apolipoproteínas originam aminoácidos e os ésteres de colesterol produzem ácidos graxos e colesterol, que pode, então, ser utilizado pela célula. Os receptores de LDL são reciclados por fusão da vesícula onde eles se localizam com a membrana plasmática; podem, assim, participar de um novo ciclo de endocitose. O colesterol que excede as necessidades celulares é reesterificado para armazenamento como gotículas intracelulares.
Figura 7.4 Transporte de colesterol das LDL plasmáticas para dentro da célula por endocitose adsortiva. LDL ligase, por sua apolipoproteína, a seu receptor da membrana plasmática, em uma depressão revestida (1). Por invaginação (2), a depressão forma uma vesícula revestida (3) que, em seguida, perde o invólucro de clatrina (4). A vesícula resultante fundese com um endossomo (5), cujo pH ácido determina a dissociação entre as LDL e os seus receptores. Estes e as LDL concentramse em regiões distintas do endossomo, que se divide em duas partes: uma estrutura alongada contendo os receptores (6) e uma vesícula contendo as LDL (7). A estrutura com os receptores vazios fundese com a membrana plasmática, reciclando os receptores para novos ciclos de endocitose (8). A vesícula contendo as LDL fundese com um lisossomo (9), cujas hidrolases liberam aminoácidos a partir das apolipoproteínas, e ácidos graxos e colesterol, a partir dos ésteres de colesterol (10).
As membranas de muitas bactérias contêm estruturas extremamente complexas capazes de transportar macromoléculas. Esses nanomotores acoplam a energia química fornecida pelo ATP ao trabalho mecânico, como acontece na transformação gênica. A transformação é um processo natural de aquisição de informação genética a partir de DNA exógeno, no qual DNA do meio externo é introduzido no citoplasma da célula bacteriana. A transformação permite a transferência de informação genética entre células bacterianas, sendo responsável pela disseminação de determinadas características como a resistência a antibióticos.
