Biomembranas - Resumo A Célula PDF

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Resumo com base nas aulas da matéria BS111 (A Célula) do curso de Medicina do ano de 2019 e do livro da Anita Marzzoco, Bioquímica Básica....

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BIOMEMBRANAS • •

Além da membrana plasmática, as células eucarióticas apresentam sistemas internos de membranas que delimitam organelas subcelulares. A membrana plasmática é o elemento mediador da comunicação entre a célula e seu meio externo. Constitui uma barreira altamente seletiva.

Interações entre lipídios: a bicamada lipídica • Lipídios anfipáticos, quando adicionados em meio aquoso tendem a agregar-se, organizando-se espontaneamente em estruturas plurimoleculares. • Lipídios e derivados com uma única cadeia carbônica (ácidos graxos, sabões e detergentes), tendem a organizar-se formando micelas. • As moléculas dos glicerofosfolipídios e esfingolipídios têm forma cilíndrica devido suas duas cadeias carbônicas. Essa estrutura favorece a formação de uma camada dupla de moléculas: a bicamada lipídica. • A bicamada lipídica tende a converter-se em uma estrutura fechada, mais estável, por não apresentar caudas hidrofóbicas expostas ao solvente. Denomina-se Lipossomos. • A bicamada lipídica permite a livre difusão de moléculas apolares, mas é essencialmente impermeável a compostos iônicos ou polares, insolúveis no centro hidrofóbico da camada. Estrutura das membranas biológicas As membranas biológicas são formadas por uma bicamada lipídica entremeada de proteínas. • A membrana está associada a proteínas que viabilizam o transporte de determinados solutos. • Os lipídios nas membranas são responsáveis pela estrutura e fluidez; • As proteínas nas membranas são responsáveis pelas funções específicas de cada tipo de membrana. • Os fosfolipídios são os componentes mais abundantes das membranas (intracelulares). • Colesterol é um componente importante das membranas; na membrana plasmática é o lipídio em maior concentração. • As membranas biológicas são fluídas, com consistência semelhante a parafina líquida. • Colesterol: intercalam-se na bicamada lipídica, a hidroxila interagindo com os grupos polares dos fosfolipídios e os anéis esteroídicos com as cadeias carbônicas. O resultado é o aumento da rigidez e da espessura da membrana. Funciona como um tampão de fluidez das membranas, impedindo que seja muito fluida em temperaturas altas, ou muito rígida em temperaturas baixas BIOMEMBRANAS • A síntese é feita no Retículo Endoplasmático. Ele já coloca as proteínas, já é definida a função. Passa pelo Golgi e por vesícula é ligado à membrana já existente. Isso não ocorre nas membranas das mitocôndrias, porque elas se dividem. • 6 a 10 nm de espessura. Quanto mais insaturações, mais fina. A composição depende da célula. Em massa, é em geral meio a meio lipídio (glicerofosfolipídio e esfingolipídio) e proteína. Em mol, muito mais lipídio. Há poucos carboidratos, covalentemente ligados. Nas células animais o colesterol é metade em mol, 20% em massa. Lembrando que colesterol tem pequena cadeia apolar. • No calor, fosfolipídeos se movimentam mais e diminui a rigidez da membrana. O colesterol diminui o ponto de fusão em alta temperatura. Ficando no meio das caudas, ele não deixa

que elas se agitem tanto. Em baixa temperatura, ele inibe a interação entre as caudas e diminui a rigidez. Funciona como um tampão para se ter a rigidez ideal. Em humanos, a ideal ocorre a 37 graus. Insaturações: ocupa mais espaço, mais fluidez. Tamanho das cadeias carbônicas: cadeia mais curta reduz a tendência das caudas de interagirem, aumenta a fluidez. Os fungos têm ergosterol em vez de colesterol. Muitos remédios antifúngicos se dirigem à síntese de ergosterol - suas últimas etapas diferem da do colesterol. Schistossoma rouba colesterol das células do hospedeiro porque precisa mas não sintetiza. Os fosfolipídios podem estar girando em torno de si mesmos ou trocar de lugar com outros (mais raramente inclusive com algum da outra camada). Dá para colocar DNA (que é negativado) dentro de bactérias e leveduras deixando a membrana delas positivada e depois dando um choque térmico que gera troca de vários lipídios ligados ao DNA da face externa para a interna. As proteínas vão mudando de lugar pela membrana. Membrana tem que ser impermeável a íons. Assimetria dos lipídios nas membranas: a composição das membranas nas duas faces é diferenciada. A fofatidilserina por exemplo fica na face interna. Ela tem carga elétrica negativa. Existe portanto uma significativa variação de cargas elétricas entre as duas faces das membranas. A esfingomielina também se localiza de forma específica na face externa, como os glicolipídios. O colesterol está em ambas as faces. FRAP fluorescence recovery after photobleaching Técnica. Colocar marcador fluorescente na membrana toda que se apaga com aplicação de laser. Aplicar laser numa parte só e ver que a fluorescência se recupera. Prova do movimento. FLIP irradia continuamente. Aos poucos tudo se apaga. PROTEÍNAS DA MEMBRANA Cerca de 15 a 30% das proteínas de membrana são proteínas de transporte. Muita energia celular é gasta com isso. Principalmente em neurônios e células renais. Bicamadas lipídicas livres de proteínas (sintéticas) são impermeáveis a íons por causa da sua carga e hidratação. Funções • • • • • • •

Transporte (íons e moléculas polares ou muito grandes) Catálise (há enzimas) Estabilização estrutural Sinalização Receptores de sinais Reconhecimento celular e molecular Adesão celular - célula-célula e célula-matriz

Proteínas intrínsecas: interação com a parte apolar. Se tirar, destroi a membrana. Têm parte citoplasmática, transmembrana e não-citoplasmática. Proteínas extrínsecas ou periféricas: interações mais fracas, solubilizadas por soluções com força iônica elevada ou variações de pH. Saem sem destruir a membrana. GPCR

Receptores acoplados às proteínas G são uma grande família proteica de receptores transmembranas que captam sinais extracelulares e ativam vias de transdução de sinal no interior da célula. Este tipo de receptores apenas é encontrado nos eucariotas, como é o caso das leveduras, plantas, coanoflagelados e animais. Os ligandos que se ligam e activam estes receptores incluem compostos sensíveis à luz, odores, feromonas, hormonas e neurotransmissores, e variam em tamanho, desde pequenas moléculas, até péptidos, podendo mesmo ser grandes proteínas. Estes receptores estão envolvidos numa variedade de doenças, mas também são o alvo de cerca de metade das drogas medicinais humanas Os receptores acoplados a proteínas G (RAPG, receptores de 7TM, pois atravessa sete vezes a membrana plasmática heptahelicoidais, GPCR-G protein-coupled receptors) compõe um sistema de transdução de sinal junto a proteína G de uma variedade de sinais como neurotransmissores, fatores de crescimento, odorantes e fótons de luz e hormônios. A bomba de asma age nas GPCR. Manda mensagem para a traqueia relaxar. ESTRUTURA Para as intrínsecas há 3 formas possíveis: • • •

Alfa hélice que passa 1 vez pela membrana (unipasso) Passa várias vezes (multipasso) Barril de beta pregueada

A alfa hélice penetra bem por causa das cadeias laterais apolares. Quando se analisa uma estrutura primária de proteína e se vê um trecho só com apolares, a chance é alta de que seja uma proteína transmembrana. O barril geralmente é um canal para transporte, embora possa ter outras funções. Eles se abrem com sinais. Podem fazer transporte ativo ou passivo. Para as extrínsecas Podem estar ligadas por modificações pós traducionais, como o Myr. Nos remédios para Chagas e Doença do Sono tentamos atacar as enzimas que fazem essa modificação. Ou então podem estar ligadas por açúcares ou ligadas em outras proteínas, por interações não covalentes. GLICOCÁLICE -Sinalização - Reconhecimento molecular - comunicação intercelular (lectinas) - Proteção (estômago, por exemplo) mecânica, contra enzimas, contra outras células - Define grupo sanguíneo. São negativados. Formam microambiente hidratado na face da membrana na qual está presente, por atrair água.

Gruda em proteína ou em lipídio (glicoproteína ou glicolipídio). Ficam na parte nãocitosólica. Capacidade informacional dos sacarídeos: dois monossacarídeos podem se unir em 11 dissacarídeos diferentes. Dois aminoácidos só podem fazer dois peptídeos. Reconhecedores de açúcares: proteínas lectinas. São importantes em adesão célula-célula, como o espermatozoide e o óvulo, leucócitos e endotélio. TIPOS DE PROTEÍNAS DE TRANSPORTE •

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Transportadoras ou carreadoras ou permeases ligam-se ao soluto específico a ser transportado e sofrem uma série de alterações de conformação que levam à exposição alternada dos sítios de ligação ao soluto em um dos lados da membrana e, a seguir, no outro lado, para transferir o soluto. Proteínas de canal interagem muito menos com o soluto; formam poros contínuos que atravessam a bicamada lipídica. Quando abertos, permitem a passagem de solutos específicos. Exemplo: aquaporinas.

O transporte pelas proteínas de canal é mais rápido. Todas as proteínas de canal e algumas permeases somente permitem a passagem passiva dos solutos. BALSAS LIPÍDICAS Regiões mais rígidas e especializadas da membrana plasmática, que se translocam através da membrana. Como são formadas as balsas lipídicas? A célula busca uma maior estabilidade. Os fosfolipídios de mesmo comprimento são mais estáveis se estão próximos uns dos outros. As proteínas de determinado diâmetro também tem maior estabilidade nas regiões com lipídios com cadeias de tamanho compatível com elas . Regiões com mais colesterol (duas vezes mais) e esfingomielina (50% a mais), mais estáveis. As proteínas também são diferentes. Na divisa da balsa há fosfolipídios específicos. É mais compacta e ordenada do que o resto da membrana. Diferenças nos pontos de fusão de diferentes tipos de lipídios fazem com que eles se organizem em fases, contribuindo para a formação das balsas lipídicas. Esfingolipídios e colesterol.

10 a 200 nm de diâmetro. Se movimentam, fundem, separam. Em geral os componentes da balsa andam juntos, mas pode haver troca. O citoesqueleto limita a movimentação das balsas lipídicas. Se formam espontaneamente in vitro - mas maiores do que nas células. São as partes da membrana mais resistentes a detergentes. Há proteínas que se inserem preferencialmente nelas. Principalmente as sinalizadoras, que entram na balsa quando tem sinal. Elas formam dímeros na presença de sinal, gerando cadeia de sinalização interna. Com quinases, por exemplo. Tem também função para a interação matriz-célula (incluindo lâmina basal). As balsas podem ser planas ou formar caveoles, que são invaginações circundadas por caveolina. Isso ajuda em transporte de LDL, entre outras coisas. As balsas planas geralmente estão envolvidas na sinalização. Muita flotilina. Neurônios. A caveolina e a flotilina recrutam proteínas sinalizadoras. Pode reprimir ou promover sinalização. As balsas podem se formar espontaneamente em condições ideias. Proteínas • • •

Proteínas residentes: proteínas com âncoras GPI, prions (PrPc),caveolina, flotilina. Proteínas sinalizadoras: proteínas G, tirosina kinases (não receptoras); Proteínas de citoesqueleto/adesão: actina, miosina, vinculina, cofilina, caderina.

Proteínas com âncoras GPI: Para ancorar uma proteína no lado externo da membrana citoplasmática ocorre a ligação de uma unidade Glicosil Fosfatidil Inusitol (GPI) à região aminoterminal, desta forma, toda a proteína, exceto a âncora, fica situada no espaço extracelular.

Formação das balsas lipídicas Força propulsora para a formação: energia necessária para criar uma divisa entre a balsa e a membrana adjacente; espessura da balsa causa mal pareamento hidrofóbico; quanto maior o contraste na espessura, maior a tensão nas extremidades; resultam em balsas maiores, mais circulares, para a redução da tensão nos bordos, melhor equilíbrio energético. Como estudar balsas lipídicas Manipulação do colesterol - sequestro, depleção, inibição da síntese FRAP FRET Microscopia eletrônica Detergentes como Triton X-100 Papel em infecções virais HIV e muitos outros vírus reconhecem CD4 através de proteínas da balsa lipídica. Também podem usar a balsa lipídica para entrar ou sair da célula. E replicar-se usando componentes da balsa lipídica. Em doenças priônicas, o prion normal é convertido em abnormal em balsas lipídicas. Permeabilidade seletiva Os medicamentos geralmente são feitos para poder passar por transporte passivo. O problema disso é que eles conseguem passar em muitos tipos de células - principalmente do fígado e do rim, porque eles têm muita inespecificidade devido a sua função de filtradores de qualquer impureza. Se conseguirmos usar o transporte ativo podemos diminuir o efeito colateral e além disso passar por barreiras que são intransponíveis pelo transporte passivo, como para chegar até a medula óssea ou outras partes do sistema nervoso central - barreira hematoencefálica.

Para se diferenciar transporte ativo de passivo, olha-se a velocidade. Porque no ativo eventualmente satura.

TRANSPORTE ATIVO DE PERMEASES Uma permease tem uma relação com o soluto próxima à da enzima com seu substrato. A velocidade máxima acontece quando todos os sítios estão ocupados por soluto. Essa velocidade se refere à taxa na qual um carreador pode alternar entre seus estados conformacionais (parte de fora aberta e parte de dentro aberta). Além disso cada permease tem uma afinidade característica por seu soluto, refletida no Km da reação. A ligação com o soluto pode ser bloqueada por inibidores competitivos ou não competitivos, como nas enzimas. As permeases podem realizar transporte ativo de 3 formas: 1. Transportadores acoplados vinculam a energia estocada em gradientes de concentração para acoplar o transporte através da membrana de um soluto contra seu gradiente (simporte). 2. Bombas dirigidas por ATP acoplam o transporte contra o gradiente à hidrólise de ATP. 3. Bombas dirigidas por luz ou reações redox (bactérias, arqueas, mitocôndrias e cloroplastos) acoplam o transporte no sentido do gradiente (menos para mais) à energia obtida da luz ou de uma reação redox. Uniporte, simporte, antiporte

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Uniporte pode fazer a favor do gradiente eletroquímico sem gastar energia ou contra o gradiente gastando energia. Uma ou mais por vez, mas do mesmo tipo.

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Simporte ou cotransportadores: mesmo sentido, dois tipos diferentes, com ou sem gasto de ATP. A que passa a favor do gradiente eletroquímico gera mudança na estrutura da proteína que facilita a passagem da segunda contra o gradiente. Exemplo: sódio e glicose entrando nas células do epitélio intestinal. A bomba de sódio e potássio fica jogando sódio fora para que a entrada do sódio seja a favor do gradiente, o que leva a glicose contra o gradiente. Além disso a ligação de sódio e glicose é cooperativa, ou seja, a ligação de uma aumenta a afinidade da proteína pela outra. Quando abre para dentro, o sódio tem alta tendência em sair por causa do gradiente eletroquímico. Quando ele sai, diminui a afinidade da proteína pela glicose, que é liberada também.

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Antiporte ou permutadores: sentido oposto, dois tipos diferentes, as duas contra o gradiente. Sempre há gasto de ATP.

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Simporte e antiporte: há uma forma intermediária da proteína, em que ela não está aberta para nenhum lado, encerra os dois tipos de soluto dentro. Isso é necessário porque ela só se abrirá se os dois tipos de soluto estiverem presentes. Geralmente um deles é um íon, em especial o sódio. Já em bactérias, leveduras, plantas, organelas, predomina o H+, existindo bombas de H+.

REGULAÇÃO DO PH POR PROTEÍNAS TRANSPORTADORAS Há na maioria das células antiportes dirigidos por Na+ que auxiliam na manutenção do pH por utilizar a energia armazenada no gradiente de Na+ para bombear para fora o excesso de H+. Ou o H+ é bombeado para fora ou o HCO3- é internalizado para neutralizar o H+ do citosol. Existe permutador Na+ H+ e também permutador Cl- HCO3- dirigido por Na+, que acopla um influxo de Na+ e HCO3- a um efluxo de Cl- e H+. Entra bicarbonato de sódio e sai HCl. Esse segundo é duplamente efetivo, porque o bicarbonato entra e o H+ sai. Quando o pH da célula diminui, aumenta a atividade desses permutadores. Há também um permutador para quando a célula fica muito alcalina: permutador Cl- HCO3independente de Na+. O bicarbonato sai. Isso, nas hemácias, facilita a saída de bicarbonato que irá liberar gás carbônicos, nos pulmões. TIPOS DE BOMBAS DIRIGIDAS POR ATP (3) São as ATPases transportadoras, que usam a energia da hidrólise do ATP. •

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Bombas tipo P: se autofosforilam. Estabelecimento dos gradientes de sódio, potássio, hidrogênio e cálcio (muito menos concentrado dentro da célula, importante para sinalização). Transportadores ABC Bombas tipo V

BOMBA DE SÓDIO E POTÁSSIO

Tipo P. Antiporte dirigido por ATP. Eletrogênica: induz a formação de corrente elétrica líquida através da membrana. Isso contribui com uns 10% do potencial de membrana. O resto do potencial vem apenas indiretamente da bomba de sódio e potássio. GAP JUNCTIONS Uma classe de proteínas forma canal entre células adjacentes, cada membrana contribui igualmente para a formação do canal, que conecta os citoplasmas. AQUAPORINAS Canais. Muito comuns em glândulas exócrinas, para a liberação de fluidos - jogar água para dissolver a secreção. As aquaporinas contêm duas asparaginas estrategicamente posicionadas. Íons positivos ficam presos então íons positivos não passam, são repelidos. Íons negativos (embora a maioria seja grande demais e não consiga) podem chegar e entupir, aí precisa abrir outra. A água tem parte negativa e parte positiva, vai rolando. Encosta o positivo, repele, rola. Sempre a favor do gradiente. Não gasta energia, é passivo. Por isso ocorre lise celular em hipotônico. Tem um pouco de água que passa pela membrana também....