Biologia para Cursos I

Descrever a estrutura e função das membranas, especialmente a bicamada de fosfolipídios

neste resultado, nós vamos aprender sobre a estrutura das membranas.

Estrutura da Membrana Celular

Uma célula membrana plasmática define o limite da célula e determina a natureza do seu contato com o meio ambiente. As células excluem algumas substâncias, tomam outras, e excretam outras, todas em quantidades controladas. Membranas de Plasma cercam as fronteiras das células, mas ao invés de serem um saco estático, elas são dinâmicas e constantemente em fluxo. A membrana plasmática deve ser suficientemente flexível para permitir que certas células, como os glóbulos vermelhos e os glóbulos brancos, mudem de forma à medida que passam por capilares estreitos. Estas são as funções mais óbvias de uma membrana plasmática. Além disso, a superfície da membrana plasmática transporta marcadores que permitem que as células se reconheçam mutuamente, o que é vital como os tecidos e órgãos se formam durante o desenvolvimento precoce, e que mais tarde desempenha um papel na distinção “eu” versus “não-eu” da resposta imunitária.

a membrana plasmática também transporta receptores, que são locais de ligação para substâncias específicas que interagem com a célula. Cada receptor está estruturado para se ligar a uma substância específica. Por exemplo, os receptores de superfície da membrana criam alterações no interior, tais como alterações nas enzimas das vias metabólicas. Estas vias metabólicas podem ser vitais para fornecer energia à célula, fazendo substâncias específicas para a célula, ou quebrando resíduos celulares ou toxinas para eliminação. Os receptores na superfície exterior da membrana plasmática interagem com hormonas ou neurotransmissores e permitem que as suas mensagens sejam transmitidas para a célula. Alguns sites de reconhecimento são usados por vírus como pontos de apego. Embora eles sejam altamente específicos, patógenos como vírus podem evoluir para explorar os receptores para ganhar entrada para uma célula, imitando a substância específica que o receptor é destinado a se ligar. Esta especificidade ajuda a explicar por que o vírus da Imunodeficiência Humana (VIH) ou qualquer um dos cinco tipos de vírus da hepatite invadem apenas células específicas.Em 1972, S. J. Singer e Garth L. Nicolson propuseram um novo modelo da membrana plasmática que, em comparação com a compreensão anterior, melhor explicava tanto as observações microscópicas quanto a função da membrana plasmática. Isto foi chamado de modelo de mosaico fluido. O modelo evoluiu um pouco ao longo do tempo, mas ainda é a melhor explicação para a estrutura e as funções da membrana plasmática tal como as entendemos agora. O modelo mosaico fluido descreve a estrutura da membrana plasmática como um mosaico de componentes, incluindo os fosfolipídios, colesterol, proteínas e hidratos de carbono, em que os componentes são capazes de fluir e mudar de posição, mantendo a integridade básica da membrana. Tanto as moléculas fosfolípidas como as proteínas incorporadas são capazes de se difundirem rápida e lateralmente na membrana (Figura 1). A fluidez da membrana plasmática é necessária para as actividades de certas enzimas e para o transporte de moléculas dentro da membrana. As membranas plasmáticas variam de 5-10 nm de espessura. Em comparação, os glóbulos vermelhos humanos, visíveis através de microscopia de luz, têm aproximadamente 8 µm de espessura, ou aproximadamente 1000 vezes mais espessa que uma membrana plasmática.

Figura 1. O modelo de mosaico fluido da estrutura da membrana plasmática descreve a membrana plasmática como uma combinação fluida de fosfolípidos, colesterol, proteínas e carboidratos.

a membrana plasmática é constituída principalmente por uma bicamada de fosfolípidos com proteínas incorporadas, hidratos de carbono, glicolípidos e glicoproteínas e, nas células animais, colesterol. A quantidade de colesterol nas membranas do plasma animal regula a fluidez da membrana e as alterações baseadas na temperatura do ambiente celular. Em outras palavras, o colesterol atua como anticongelante na membrana celular e é mais abundante em animais que vivem em climas frios.

O principal tecido da membrana é composta de duas camadas de moléculas de fosfolipídios, e o polar extremidades dessas moléculas (que se parecem com uma coleção de bolas em uma versão artística do modelo) (Figura 1) estão em contato com uma solução aquosa de fluido dentro e fora da célula. Assim, ambas as superfícies da membrana plasmática são hidrofílicas (“amantes da água”). Em contraste, o interior da membrana, entre suas duas superfícies, é uma região hidrofóbica (“odiando a água”) ou não-polar por causa das caudas de ácidos graxos. Esta região não tem nenhuma atração por água ou outras moléculas polares (discutiremos isso mais adiante na próxima página).As proteínas constituem o segundo principal componente químico das membranas plasmáticas. As proteínas integrais estão incorporadas na membrana plasmática e podem abranger toda ou parte da membrana. As proteínas integrais podem servir como canais ou bombas para mover materiais para dentro ou para fora da célula. As proteínas periféricas são encontradas nas superfícies exteriores ou interiores das membranas, ligadas quer a proteínas integrais quer a moléculas fosfolípidas. As proteínas integrais e periféricas podem servir como enzimas, como anexos estruturais para as fibras do citoesqueleto, ou como parte dos locais de reconhecimento da célula.Os hidratos de carbono são o terceiro componente principal das membranas plasmáticas. Encontram-se sempre na superfície exterior das células e ligam-se quer a proteínas (formando glicoproteínas) quer a lípidos (formando glicolípidos). Estas cadeias de hidratos de carbono podem consistir em 2 a 60 unidades monossacáridas e podem ser heterossexuais ou ramificadas. Juntamente com as proteínas periféricas, os hidratos de carbono formam locais especializados na superfície celular que permitem que as células se reconheçam mutuamente.Esta ilustração mostra a membrana plasmática de uma célula T. Os receptores CD4 estendem-se da membrana para o espaço extracelular. O vírus HIV reconhece parte do receptor CD4 e se liga a ele.

Figura 2. O VIH liga-se ao receptor CD4, uma glicoproteína na superfície das células T, antes de entrar ou infectar a célula. (credito: modificação de trabalho NOS Institutos Nacionais de Saúde/Instituto Nacional de Alergia e Doenças Infecciosas)

Específicos glicoproteína moléculas expostas na superfície das membranas celulares das células hospedeiras são exploradas por muitos vírus para infectar órgãos específicos. Por exemplo, o HIV é capaz de penetrar as membranas plasmáticas de tipos específicos de glóbulos brancos chamados células T-helper e monócitos, bem como algumas células do sistema nervoso central. O vírus da hepatite ataca apenas células hepáticas.

estes vírus são capazes de invadir estas células, porque as células têm locais de ligação em suas superfícies que os vírus têm explorado com glicoproteínas igualmente específicas em suas camadas. (Figura 2). A célula é enganada pela imitação das moléculas do revestimento do vírus, e o vírus é capaz de entrar na célula. Outros locais de reconhecimento na superfície do vírus interagem com o sistema imunológico humano, levando o organismo a produzir anticorpos. Os anticorpos são produzidos em resposta aos antigénios (ou proteínas associadas a agentes patogénicos invasivos). Estes mesmos locais servem como locais para anticorpos de ligação, e destruir ou inibir a actividade do vírus. Infelizmente, estes locais de HIV são codificados por genes que mudam rapidamente, tornando muito difícil a produção de uma vacina eficaz contra o vírus. A população do vírus dentro de um indivíduo infectado evolui rapidamente através da mutação em diferentes populações, ou variantes, distinguindo-se por diferenças nestes locais de reconhecimento. Esta rápida mudança de marcadores de superfície viral diminui a eficácia do sistema imunológico da pessoa em atacar o vírus, porque os anticorpos não reconhecerão as novas variações dos padrões de superfície.

fosfolípidos

como acabamos de saber, o principal tecido da membrana é composto por duas camadas de moléculas fosfolípidas. As áreas hidrofílicas ou “amantes da água” dessas moléculas (que parece uma coleção de bolas na versão do modelo de um artista) (Figura 1) estão em contato com o fluido aquoso dentro e fora da célula. Assim, ambas as superfícies da membrana plasmática são hidrofílicas. Em contraste, o interior da membrana, entre suas duas superfícies, é uma região hidrofóbica ou não-polarizada por causa das caudas de ácidos graxos. Esta região não tem nenhuma atração por água ou outras moléculas polares (discutiremos isso mais adiante na próxima página).

moléculas hidrofóbicas, ou que odeiam água, tendem a ser não-polares. Elas interagem com outras moléculas não-polares em reações químicas, mas geralmente não interagem com moléculas polares. Quando colocadas na água, moléculas hidrofóbicas tendem a formar uma bola ou aglomerado. As regiões hidrofílicas dos fosfolípidos tendem a formar ligações de hidrogênio com água e outras moléculas polares tanto no exterior como no interior da célula. Assim, as superfícies de membrana que se encontram no interior e no exterior da célula são hidrofílicas. Em contraste, o interior da membrana celular é hidrofóbico e não interage com a água. Portanto, os fosfolípidos formam uma excelente membrana celular de duas camadas que separa o fluido dentro da célula do fluido fora da célula.

Figura 3. Esta molécula de fosfolípido é composta por uma cabeça hidrofílica e duas caudas hidrofóbicas. O grupo hidrofílico da cabeça consiste num grupo contendo fosfato ligado a uma molécula de glicerol. As caudas hidrofóbicas, cada uma contendo um ácido gordo saturado ou insaturado, são cadeias longas de hidrocarbonetos.

Uma molécula de fosfolipídio (Figura 3) consiste de três carbono glicerol espinha dorsal com duas moléculas de ácido graxo ligados aos carbonos 1 e 2, e um fosfato contendo grupo ligado ao terceiro carbono.

este arranjo dá à molécula uma área descrita como sua cabeça (o grupo contendo fosfato), que tem um caráter polar ou carga negativa, e uma área chamada Cauda (os ácidos graxos), que não tem carga. A cabeça pode formar ligações de hidrogênio, mas a cauda não pode. Uma molécula com este arranjo de uma área carregada positiva ou negativamente e uma área não carregada, ou não-polar, é referida como anfifílica ou “dual-loving”.”

Esta característica é vital para a estrutura de uma membrana plasmática porque, na água, os fosfolípidos tendem a ficar dispostos com as suas caudas hidrofóbicas viradas umas para as outras e as suas cabeças hidrofílicas viradas para fora. Desta forma, formam uma camada lipídica bilayer—uma barreira composta por uma camada dupla de fosfolípidos que separa a água e outros materiais de um lado da barreira da água e de outros materiais do outro lado. De facto, os fosfolípidos aquecidos numa solução aquosa tendem a formar espontaneamente pequenas esferas ou gotículas (chamadas micelas ou lipossomas), com as suas cabeças hidrofílicas formando o exterior e as suas caudas hidrofóbicas no interior (Figura 4).

Figura 4. Em uma solução aquosa, fosfolípidos tendem a se organizar com suas cabeças polares viradas para fora e suas caudas hidrofóbicas viradas para dentro. (crédito: modificação de trabalho por Mariana Ruiz Villareal)

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