CURSO: Licenciatura em Ciências Biológicas DISCIPLINA: Biologia Celular e Molecular PROFESSORA: Dra. Jaqueline Figuerêdo Rosa. Membranas Celulares

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1 CURSO: Licenciatura em Ciências Biológicas DISCIPLINA: Biologia Celular e Molecular PROFESSORA: Dra. Jaqueline Figuerêdo Rosa Membranas Celulares

2 Para quê servem as Membranas Celulares?

3 Principais funções das Membranas Biológicas: Define os limites da célula (Membrana Plasmáticas) ou das organelas membranosas; Mantém as diferenças essenciais entre os meios externos e internos às células ou organelas regula o trânsito molecular através delas. Outras funções: Ancoram proteínas importantes em uma variedade de processos celulares: metabolismo, reconhecimento celular, sinalização celular; Participam de processos de conversão de energia; Ancora moléculas de adesão que mantêm células vizinhas; E muitas outras que vocês descobrirão ao longo do curso.

4 Os principais componentes das membranas Lipídios Principais Proteínas Carboidratos em glicoproteínas e glicolipídios Cooper, 2007

5 Uma membrana plasmática típica tem cerca de metade do seu peso de proteínas e metade de lipídios! Entretanto, a proporção entre lipídios e proteínas pode variar com o tipo de membrana refletindo a variedade de funções biológicas: Se plasmática ou de organela (qual?); Tipo de célula; Espécie. Nelson e Cox, 2014

6 A estrutura básica das membranas é uma camada dupla de lipídios (Bicamada Lipídica) Fosfolipídios: Glicerofosfolipídios: fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina, fosfatidilcolina, fosfatidilinositol Esfingofosfolipídio: esfingomielina Alberts et al., 2017 Cooper, 2007

7 A estrutura básica das membranas é uma camada dupla de lipídios (Bicamada Lipídica) Glicolipídios: Cerebrosídios monossacarídeo Gangliosídios oligossacarídeo Alberts et al., 2017

8 A estrutura básica das membranas é uma camada dupla de lipídios (Bicamada Lipídica) Esteróis: Colesterol Alberts et al., 2017

9 A composição lipídica depende da espécie, do tipo de célula e do tipo de membrana (plasmática ou organela)! Alberts et al., 2017

10 A composição lipídica depende da espécie, do tipo de célula e do tipo de membrana (plasmática ou organela)! Nelson e Cox, 2014 Reflete a especialização funcional!

11 A estrutura básica das membranas é uma camada dupla de lipídios (Bicamada Lipídica) Reece et al., 2015 Reece et al., 2015 Alberts et al., 2017 Alberts et al., 2017

12 Os fosfolipídios formam bicamadas espontaneamente e possuem a propriedade de autosselamento. Alberts et al., 2017 A estrutura fechada (selada) é estável porque evita a exposição das caudas hidrofóbicas à água. Alberts et al., 2017

13 A estrutura básica das membranas é uma camada dupla de lipídios (Bicamada Lipídica) Nelson e Cox, 2014

14 A estrutura básica das membranas é uma camada dupla de lipídios (Bicamada Lipídica) Hemácia humana Lipossomos Alberts et al., 2017 Cooper, 2007

15 A estrutura básica das membranas é uma Bicamada Lipídica com proteínas imersas entre os lipídios. Alberts et al., 2017

16 A Bicamada Lipídica é fluida Três tipos de movimentos dos lipídios: Facilitada pelas transversases Alberts et al., 2017 Os lipídios se movimentam muito rápido lateralmente (1 a 2μm/s)!

17 Nelson e Cox, 2014 A Bicamada Lipídica é fluida Três tipos de movimentos dos lipídios: Facilitada pelas transversases Alberts et al., 2017

18 Nelson e Cox, 2014

19 Nelson e Cox, 2014

20 A fluidez depende: da temperatura da composição lipídica

21 A fluidez depende de dois fatores: da temperatura: temperatura fluidez da composição lipídica: Tamanho das cadeias de hidrocarbonetos: cadeia fluidez Número de ligações duplas ou lipídios insaturados: insaturados fluidez Reece et al., 2015

22 A fluidez depende: da temperatura: temperatura fluidez da composição lipídica: Tamanho das cadeias de hidrocarbonetos: cadeia fluidez Número de ligações duplas ou lipídios insaturados: insaturados fluidez Quantidade de Colesterol: concentração de colesterol fluidez Alberts et al., 1996 Reece et al., 2015

23 A fluidez depende: da temperatura: temperatura fluidez da composição lipídica: Tamanho das cadeias de hidrocarbonetos: cadeia fluidez Número de ligações duplas ou lipídios insaturados: insaturados fluidez Quantidade de Colesterol: concentração de colesterol fluidez Os organismos regulam a fluidez da membrana alterando a composição lipídica.

24 Nelson e Cox, 2014 Os organismos regulam a fluidez da membrana alterando a composição lipídica.

25 Nelson e Cox, 2014 A Bicamada Lipídica é, normalmente, assimétrica

26 A Bicamada Lipídica é, normalmente, assimétrica A composição lipídica varia entre as monocamadas: A fosfatidilserina (com carga negativa) concentrada na monocamada interna promove diferenças de carga na bicamada; O fosfatidilinositol participa da sinalização celular; Os glicolipídios exclusivos da camada externa da membrana plasmática e interna de organelas (ex. lissossomos): reconhecimento e adesão celular; proteção contra agressões mecânicas e químicas; sinalização celular. Monocamada externa: fosfatidilcolina, esfingomielina, glicolipídios. Alberts et al., 2017 Monocamada interna: fosfatidilserina, fosfatidilinositol.

27 As membranas apresentam a estrutura do Mosaico Fluido (Singer e Nicolson) As membranas são fluidos bidimensional, nos quais os lipídios e as proteínas flutuam (migram) livremente pela dupla camada. As interligações entre os lipídios e as proteínas são efêmeras (ligações fracas não covalentes). Nelson e Cox, 2014

28 Reece et al., 2015 As proteínas de membrana podem apresentar difusão rotacional e lateral.

29 As proteínas de membrana podem apresentar difusão rotacional e lateral. Reece et al., 2015 Alberts et al., 2017

30 As proteínas podem ser divididas em três grupos: Periféricas: encontram-se sobre a face da membrana Ligadas, principalmente, por interações eletrostáticas ou pontes de hidrogênios com lipídios ou proteínas. Se dissociam da membrana por processos brandos que não interferem na bicamada lipídica. Nelson e Cox, 2014

31 As proteínas podem ser divididas em três grupos: Integrais: encontram-se embutidas na membrana Ligadas, principalmente, por interações hidrofóbicas. Se dissociam da membrana por processos que interferem nas interações hidrofóbicas e rompem a bicamada lipídica. Nelson e Cox, 2014

32 As proteínas podem ser divididas em dois grupos: Integrais: encontram-se embutidas na membrana Podem atravessar a bicamada (proteína transmembrana) Podem estar restritas a uma única monocamada Proteína Transmembrana de Passagem Única Proteína Transmembrana de Passagem Múltipla Alberts et al., 2017

33 As proteínas podem ser divididas em dois grupos: Integrais: encontram-se embutidas na membrana Passagem Múltipla composta por vários polipeptídeos Passagem Múltipla composta por um polipeptídeo Nelson e Cox, 2014

34 As proteínas podem ser divididas em três grupos: Anfitrópicas: são encontradas tanto no citosol como em associação com membranas Podem se ligar covalentemente ou não a proteínas e lipídios de membrana, mas sua associação com a membrana é regulada Nelson e Cox, 2014

35 As proteínas podem ser divididas em três grupos: Nelson e Cox, 2014

36 Várias maneiras pelas quais as proteínas se associam à bicamada lipídica: Alberts et al., 2017

37 As proteínas projetadas para o exterior da célula estão normalmente ligadas a carboidratos glicoproteínas. Glicoproteínas e glicolipídios formam um revestimento da superfície celular Glicocálice (revestimento celular ou camada de carboidratos). Alberts et al., 2017

38 As membranas devem permitir a troca de substâncias entre os compartimentos internos e externos permeabilidade. Entretanto, ela deve regular o movimento dessas substâncias permeabilidade seletiva. A bicamada lipídica é: permeável a moléculas hidrofóbicas pequenas. Pouco permeável a pequenas moléculas polares sem carga; pouquíssimo permeável a grandes moléculas polares. impermeável a íons. Alberts et al., 2017

39 Quanto menor e menos hidrofílica, mais rápido a molécula se difunde pela bicamada! Alberts et al., 2017

40 Para o transporte de substâncias pouco permeáveis ou impermeáveis, as células fazem uso de proteínas de transporte de membrana. Específicas Proteínas transmembrana de múltipla passagem Cada proteína só transporta uma classe de substância ou moléculas ou íons particulares Aquaporina Alberts et al., 2017

41 Há duas classes de proteínas de transporte de membrana: Proteínas de Canal: poros contínuos que atravessam a membrana. Proteínas Carreadoras (permeases, transportadoras): sofrem mudanças conformacionais quando se ligam ao soluto; Bicamada Lipídica Alberts et al., 2017

42 Proteínas Carreadoras: Uniporte transportam um único soluto Acopladas o transporte de um soluto depende do transporte de outro: Simporte: na mesma direção Antiporte: em direções opostas Alberts et al., 2017

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44 Há dois tipos de transporte de substâncias: Transporte Passivo a favor do gradiente eletroquímico; Transporte Ativo contra o gradiente eletroquímico; dogster.com

45 Há dois tipos de transporte de substâncias: Transporte Passivo a favor do gradiente eletroquímico; Transporte Ativo contra o gradiente eletroquímico; Gradiente eletroquímico = gradiente de concentração + gradiente elétrico (potencial elétrico); Quando íons de cargas opostas apresentam distribuições desiguais Duas ou mais soluções com diferentes concentrações de um soluto S1 S2 C1 C2

46 Qualquer substância tende a se difundir espontaneamente a favor do seu gradiente eletroquímico até alcançar uma distribuição uniforme! Sadava et al., 2009

47 Há dois tipos de transporte de substâncias: Transporte Passivo a favor do gradiente eletroquímico (gradiente de concentração + gradiente elétrico potencial elétrico); Solutos eletricamente neutros = gradiente de concentração Solutos carregados eletricamente = g. concentração + g. voltagem Nelson e Cox, 2014

48 Há dois tipos de transporte de substâncias: Transporte Passivo a favor do gradiente eletroquímico (gradiente de concentração + gradiente elétrico potencial elétrico); Alberts et al., 2017

49 Há dois tipos de transporte de substâncias: Transporte Passivo a favor do gradiente eletroquímico (gradiente de concentração + gradiente elétrico potencial elétrico); Difusão simples: através da bicamada lipídica; Difusão facilitada: através de permeases ou canais; Gradiente eletroquímico Adaptado de Alberts et al., 2017

50 As proteínas canais medeiam apenas transporte passivo! Adaptado de Alberts et al., 2017

51 São quatro tipos básicos de proteínas de canal: Junções tipo fenda unem o citoplasma de células adjacentes; Alberts et al., 2017

52 São quatro tipos básicos de proteínas de canal: Junções tipo fenda unem o citoplasma de células adjacentes; Alberts et al., 2017 Alberts et al., 2017

53 São quatro tipos básicos de proteínas de canal: Junções tipo fenda unem o citoplasma de células adjacentes; Porinas Grande poros aquosos, na forma de barril β, da membrana externa de bactérias, mitocôndrias e cloroplasto. Estão sempre abertos, mas podem ser seletivos; As alças estreitam o lúmen restringindo a passagem apenas a solutos selecionados Alberts et al., 2017 Rhodobacter capsulatus Escherichia coli

54 São quatro tipos básicos de proteínas de canal: Junções tipo fenda unem o citoplasma de células adjacentes; Porinas Grande poros aquosos, na forma de barril β, da membrana externa de bactérias, mitocôndrias e cloroplasto. Permanecem sempre aberto, mas são seletivos; Canais Iônicos formam poros mais estreitos, de α- hélice, altamente seletivos que podem abrir e fechar rapidamente; O canal de K + de Streptomyces lividans. Nelson e Cox, 2014

55 São quatro tipos básicos de proteínas de canal: Junções tipo fenda unem o citoplasma de células adjacentes; Porinas Grande poros aquosos, na forma de barril β, da membrana externa de bactérias, mitocôndrias e cloroplasto. Permanecem sempre aberto, mas são seletivos; Canais Iônicos formam poros mais estreitos, de α- hélice, altamente seletivos que podem abrir e fechar rapidamente; Alberts et al., 2017

56 O canal de K + de Streptomyces lividans. Nelson e Cox, 2014

57 O canal de K+

58 Alberts et al., 2017 Três formas de controle dos Canais Iônicos

59 São quatro tipos básicos de proteínas de canal: Junções tipo fenda unem o citoplasma de células adjacentes; Porinas Grande poros aquosos, na forma de barril β, da membrana externa de bactérias, mitocôndrias e cloroplasto. Permanecem sempre aberto, mas são seletivos; Canais Iônicos formam poros mais estreitos altamente seletivos que podem abrir e fechar rapidamente; Aquaporinas formam canais que permitem a passagem apenas de água. Abundantes em células de glândula exócrinas Alberts et al., 2017

60 Estrutura das Aquaporinas Alberts et al., 2017

61 A difusão da água através das membranas: Osmose Sadava et al., 2009 Plamolisada (plasmólise) Túrgida

62 As permeases sofrem uma série de alterações reversíveis de conformação que, alternadamente, expõem o solutos dos dois lados, nunca ao mesmo tempo! Alberts et al., 2017 Num estágio intermediário o soluto encontra-se inacessível!

63 Sadava et al., 2009

64 Há dois tipos de transporte de substâncias: Transporte Ativo contra o gradiente eletroquímico, está acoplado a uma fonte de energia, através de permeases. Gradiente eletroquímico Adaptado de Alberts et al., 2017

65 Existem três modos de transporte ativo: Carreadores acoplados acopla o transporte contra o gradiente eletroquímico de uma substância ao transporte a favor do gradiente de outra (transporte ativo secundário); Bombas acionadas por ATP acoplam o transporte contra o gradiente eletroquímico à hidrólise de ATP (transporte ativo primário); Bombas acionadas por luz acoplam o transporte contra o gradiente à absorção de energia da luz, em bactérias. Alberts et al., 2017

66 Carreador acoplado Transporte de Glicose acoplado ao Na + Sadava et al., 2009

67 Carreador acoplado Transporte de Glicose acoplado ao Na + Alberts et al., 2017

68 Carreador acoplado Transporte de Glicose acoplado ao Na+

69 Três Classes de Bombas acionadas por ATP: Bombas tipo P se autofosforilam durante o ciclo de bombeamento Transportadores ABC Possuem dois domínios ATPase, e a ligação ao ATP proporciona a aproximação dos domínios e mudança de conformação seguida de hidrólise do ATP; Bombas tipo V funcionam como turbinas que giram ao se ligar ao ATP e promove o transporte de H +. Alberts et al., 2017