G.E.R.A. Brasil: Grupo de Estudo em Reprodução Animal do Brasil

Estrutura e Função de Biomembranas
Marcelo Roncoletta

doutorando em Medicina Veterinária, Área de Concentração: Reprodução Animal

Departamento de Reprodução Animal - FCAVJ - UNESP


Introdução

As membranas celulares não somente definem compartimentos celulares, mas também determinam a natureza de toda comunicação entre o "inner" e "out" celular, sendo portanto de extrema importância para fisiologia celular.

A diversidade de funções de membrana é consequência de sua estrutura. Basicamente, toda membrana celular é formada por uma bicamada lipídica encrustrada de proteínas, hoje denominada de MOSAICO FLUIDO. Tal modelo foi proposto por Singer & Nicholson (1972), sendo atualmente o mais aceito no meio científico. Entretanto, sabe-se que tal estrutura celular vem sendo intensamente pesquisada, o que resulta em uma enorme complexidade. Assim a membrana celular tem sido codificada em domínios de membrana, que nada mais são que compartimentos de membrana dentro de um só tipo celular com características e funções próprias. O espermatozóide é um bom exemplo de células com vários domínios, já que contém diversas regiões bem delimitadas e cada qual com suas funções específicas (acrossoma, cabeça, peça intermediária e cauda).

A composição da bicamada lipídica, atualmente já esta bem definida, já que se conhece a proporção dos tipos de fosfolipídeos componentes em cada tipo celular, cada organela, domínios e ainda em cada monocamada lipídica (inner ou out).

A composição protéica também é variável , entretanto aind apouco estabelecida, se compararmos aos dados com relação aos lipídeos, quando consideramos os diferentes tipos celulares.

Um outro aspecto a ser levantado, é a possibilidade de diferenças fenotícas individuais em relação a composição de membranas. Apesar da caracterização desta estrutura celular seguir padrões para cada tipo celular, dependente da função a que lhe é determinada genéticamente, se considerarmos a célula espermática como exemplo(ver MEMBRANA DE ESPERMATOZÓIDES E SUA RELAÇÃO COM O POTENCIAL DE DESEMPENHO REPRODUTIVO NO MACHO) nos deparamos em situações que nos induzem a tal hipótese. Qual o motivo de alguns animais possuírem sêmen ou espermatozóides passíveis de criopreservação e descongelação, mantendo uma viabilidade celular superior a outros??? Talvez a resposta para determinada questão seja o fenótipo de membrana, e este por sua vez, sendo pré determinado genéticamente, caracterizam a individualidade de respostas à criopreservacão.


02. COMPOSIÇÃO MEMBRANA

São três os principais componentes da membrana, sendo os lipídeos, as proteínas globulares e os carbohidratos.

02.1 LIPÍDEOS:

É grupo bioquímico em maior quantidade na membrana, variando a quantidade de acordo com o tipo celular, entre 50-80% do total de componentes. Um única exceção inclui a membrana inner mitocondrial que possui apenas 30%.

São três os principais tipos de lipídeos encontrados:

- Glicerofosfolipídeos
- Esfingofosfolipídeos
- Colesterol

Os Esfingofosfolipídeos são encontrados em menor proporção, porém comumente encontrados em membranas de células de tecidos bastante especializados como é o caso da mielina. Entretanto as características e propriedades são semelhantes aos glicerofosfolipídeos, ambos considerados pertencentes ao grupos dos fosfolipídeos.

Os Glicerofosfolipídeos são os em maior quantidade, compostos por um grupo alcoólico esterificado com ácido fosfórico e cadeia (s) de ácido graxos.

O grupo alcoólico esterificado podem ser representados pela colina, etanolamina, serina, inositol e glicerol, sendo que os dois primeiros são os mais comumente encontrados na membrana de eucariotos. Esta é a porção polar da molécula de fosfolipídeo, ou seja, a que mantém afinidade com a água e outros grupos polares. Entretanto características químicas importantes como a carga elétrica do grupo de moléculas que formam o fosfolipídeo em pH fisiológico, devem ser levadas em consideração quando avalia-se a fluidez de membrana.

As cadeias de ácidos graxos, são longas cadeias de carbono e os tipos mais comuns são o palmítico, esteárico, oléico, linoleico, linolênico e aracdônico. A importância do conhecimento do tipo de ácido graxo que compõe determinada membrana está embasada quimicamente, O comprimento da cadeia de carbonos, o número de ligações insaturadas (ligações duplas entre dois carbonos da cadeia) e o grau de curvatura na ligação entre a cadeia de carbonos e a cabeça polar do fosfolipídeo, afetam diretamente a fluidez de membrana.

Figuras 01 e 02 – Fonte: Devlin,T.M. Textbook of Biochemistry with clinical correlations, 1997. 4th edition, Wiley-Liss,Inc., New York.

Outro lipídeo muito importante na composição de membranas celulares é o colesterol, uma molécula bastante rígida e hidrofóbica, porém contendo também uma porção polar. Ë considerado um mediador de fluidez de membrana.

Como já mencionado, a composição lipídica de membrana já esta estabelecida entre os diferentes tipos de célula e diferentes espécies com a mesma célula.

Figura 03 – Composição lipídica de membranas e proporção entre lipídeos e proteínas nas membranas. Fonte: Devlin,T.M. Textbook of Biochemistry with clinical correlations, 1997.

02.2 PROTEÍNAS

Segundo grupo bioquímico em quantidade encontrado nas membranas, variando de 20 a 80% na composição total, entretanto são elas que especificam a função das membranas e consequentemente das células em questão. São os componentes ativos da membrana (enzimas, transportadores, receptores, poros, etc.)

Estão classificadas em dois grandes grupos, de acordo com superfície hidrofóbica da estrutura quaternária da proteína:

- Periféricas ou extrínsecas - geralmente solúveis em água, de fácil extração, basta apenas alterar a força iônica, adicionando-se sais ao meio.

- Integrais ou intrínsecas - são lipossolúveis e para sua extração é necessário tratamentos mais drásticos, com uso de detergentes e solventes orgânicos. Ë neste grupo que se enquadram as denominadas glicoproteínas.

02.3 CARBOIDRATOS

São oligossacarídeos que interagem com proteínas de membrana, através de ligações covalentes. Os mais comumente encontrados são a glicose, galctose, manose e fucose. Tal interação entre carboidratos e proteínas denominamos de glicoproteínas cujos papéis fisiológicos são de extrema importância (reconhecimento célula-célula, adesão e receptores de membrana).

2.3 - MOSAICO FLUIDO

O nome mosaíco vem da distribuição lipídica encrustada por proteínas e colesterol. O arranjo lipídico em forma de lipossomos (porções anfipáticas se orientam pela hidrofobicidade, minimizando o contato com a água e outros grupos polares, e ao mesmo tempo expondo a cabeça polar, ou hidrofílica, para interagir com a água.

O termo fluidez (NÃO ESTÁTICA), determina possibilidade de alterações ou flexibilidade. Nas bases físicas, fluído é um líquido em estado cristalino. Pois então a membrana é uma "sopa" de lipídeos em estado cristalino, com proteínas adsorvidas.

Figura 04 – Esquema do mosaico fluido como estrutura de membrana biológicas. Fonte:

O grau de fluidez de membrana é determinado pelas interações entre seus constituintes, principalmente lipídeos-lipídeos, lipídeos-proteínas e proteínas-proteínas. Esta propriedade pode ser encarada como método de proteção celular, já que mantem a viabilidade celular frente a diferentes meios (variações de temperatura por exemplo).

Com relação a características de lipídeos que podem afetar a fluidez temos:

- Número de carbonos na cadeia de ácido graxo - quanto maior a cadeia, maio o ponto de fusão.

- Grau de ligação entre a cadeia de ácido graxo e a cabeça polar do fosfolipídeo

Figura 05 – Grau de desvio entre a cadeia de ácido graxo e a cabeça polar do fosfolipídeo. Fator de interferência no grau de fluides de membrana. Fonte: Gennis, R.B. Biomembranas estrutura e função, 1989.

- Número de ligações insaturadas na molécula de ác. Graxo - ligações insaturadas diminuem o grau de contato ou interação entre as várias cadeias de ác. Graxo na monocamada. Quanto maio o número, maior a fluidez.

- Colesterol - previne o empacotamento ordenado das cadeias de ácidos graxos (diminuem a temperatura de fusão), sendo portanto, considerado mediador de fluidez de membrana - Quanto mais colesterol, maior a fluidez.

- Dinâmica de lipídeos - tipos de movimentos que os lipídeos podem apresentar na bicamada nas membranas:

Difusão espontânea ("flip- flop") - o fosfolipídeo permuta de monocamada ou na mesma monocamada troca apenas de local.

Figura 06 – Dinâmica de lipídeos e proteínas. Fonte: Devlin,T.M. Textbook of Biochemistry with clinical correlations, 1997.

Processo mediado por proteínas - a traslocação de lipídeos se dá com auxílio de moléculas de proteínas, através de afinidade de cargas, hidrofobicidade, etc....

Mediado pelo fluxo de vesículas lipídicas - os lipídeos formam vesículas ( lipossomos com cabeça polar voltada para o interior da vesícula ) e assim podem caminhar por entre as monocamadas de fosfolipídeos.

Com relação a características de proteínas que podem afetar a fluidez de membrana, a principal é o tipo de interação entre a bicamada lipídica e a molécula quaternária de proteína.

1- Proteína ligada por carga ou ponte de Hidrogênio a outra proteína já existente na membrana

2- Proteína ligada por ligações eletrostáticas (cargas) entre uma proteína extrínseca e uma monocamada.

3- Ligação hidrofóbica entre porção de uma proteína extrínseca e monocamada de lipídeos.

4- Ligação hidrofóbica entre porção (braços) de uma proteína extrínseca e a bicamada de lipídeos, porém sem atravessar a membrana interna.

5- Ligação hidrofóbica entre proteína e bicamada de lipídeos. Aqui a proteína passa a ser considerada intrínseca ou transmembrana, porém com um único braço atravessando a bicamada.

6- Ligação hidrofóbica entre proteína e bicamada de lipídeos. Intrínseca e trasnmembrana múltipla, com vários braços atravessando a bicamada.

6- Proteína ancorada a bicamada. Esta é a única interação através de ligação covalente entre os fosfolipídeos e a proteína. Este é o tipo de interação comumente encontrado nas proteínas glicolisadas, ou seja, as que atuam como receptores.

Figura 07 – Tipos de ligação entre proteínas e a bicamada lipídica na membrana. Fonte: Gennis, R.B. Biomembranas estrutura e função, 1989.

Resumidamente existem basicamente 04 tipos de interações, que estão esquematizados a seguir:

- As que não perturbam a bicamada - tipos 01 e 02 
- As que alteram ou afetam 01 monocamada - tipo 3
- As que alteram as 2 monocamadas - tipos 4,5,6 e 7. 

Obs : As do tipo 5 e 6 apresentam formação de "clusters" ou blocos (sobreposição de lipídeos, diminuindo a fluides de membrana)

Figura 08 – Tipos de interação entre proteínas e lipídeos de membrana . Fonte: Gennis, R.B. Biomembranas estrutura e função, 1989


3. FUNÇÕES DE MEMBRANA

Após esta breve apresentação da composição de membranas, fica explícito que é uma estrutura cujas funções podem ser ilimitadas na função celular, não podendo ser resumidas apenas à compartimentalização celular.

Esta, é claramente, uma das funções da membrana celular, determinando os domínios celulares e até mesmo da própria membrana.

Também conferem resistência e manutenção da viabilidade celular devido flexibilidade de modificações (fluidez).

Regulam o trânsito celular, conferindo seletividade - permeabilidade ou transporte entre membrana que pode ocorrer sob diferentes maneiras. Uma delas é a difusão, que permite o trânsito de água e alguns gases como O2, N2, CO2 e NO. Outra é a facilitação através de poros ou canais, que permitem o movimento rápido de moléculas específicas ou íons de um lado para outro da membrana. Outro modo de facilitação é por transportadores, que nada mais são que canais com um cinética de funcionamento mais lenta, porém permitindo ser modulados. A atividade de um canal pode ser passiva ou ativa, havendo portanto despendio de energia ou não.

E também definem a função celular. Já foi mencionado anteriormente que dentre os componentes de membrana, o grupo de maior impacto quanto a funcionalidade de membrana é o grupo de proteínas. A princípio a composição e estrutura de membrana é a mesma, porém devido a constituição variável já comentada, existe um biodiversidade de funções de membrana celular e consequentemente diversidade de tipos celulares com funções estabelecidas.

O código genético é o mesmo em todas as células, mas a especialização tecidual lhe confere um controle na produção de lipídeos e proteínas para cada tipo celular, a tal biodiversidade.


Refências Bibliográficas

GENNIS, R.B. Biomembranas estrutura e função, 1st ed. 1989.

DEVLIN, M.T. Textbook of Biochemistry with clinical correlations. Wiley-Liss, Inc., New York, 4th ed., 1997.

23/05/00


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