Membrana Celular: Estrutura, Especializações e Fisiologia

Membrana Celular: Estrutura,
Especializações e Fisiologia
Como e para quê ?????
Membranas Celulares
Essenciais para a vida das células
Membrana Plasmática
• Define seus limites
• Mantém as diferenças essenciais
entre o citosol e o meio extracelular
• Define as organelas celulares:
•
•
•
•
•
•
•
R. Endoplasmático
Complexo de Golgi
Mitocôndrias
Lisossomos
Cloroplastos
Peroxissomos
Envoltório Nuclear
M.L.
Não
é
capaz
de
revelar,
diretamente, a presença da
membrana. Espessura abaixo do
poder de resolução
Túbulo seminífero de Triatoma infestans
M.E.
Acúmulo de informações
indiretas sobre a membrana
Experimentos fisiológicos
SILISTINO-SOUZA, 2010
Funções da Membrana Celular
1. Transporte de substâncias necessárias ao crescimento e a renovação das
estruturas celulares.
2. Transferência de informações (hormônios → modificação da atividade
celular)
3. Transferência de estímulos físico-químicos (excitabilidade)
Papel da membrana na análise de informações:
a) Mecanismo de reconhecimento celular
b) Inibição por contato
c) Suporte de atividades enzimáticas diversas
d) Fixação de substâncias medicamentosas
e) Fixação de vírus, toxinas ou células
f) Transferência de informações extracelulares
III – Modelo Molecular da Membrana Celular
A membrana plasmática é visualizada, após a fixação por
métodos convencionais em ME:
2 camadas osmiófilas → afinidade pelo tetróxido de ósmio
1 camada osmiófoba
Histórico
Evidências indiretas:
Overton (1902) → membrana plasmática era composta de uma delgada camada de lipídeos (baseado no
fato de que as substâncias solúveis em solventes para lipídios penetram na membrana plasmática).
→ eritrócitos hemolisados (camada dupla de
moléculas lipídicas).
→ bicamada lipídica no interior + proteínas
aderidas a ambas as superfícies.
→ modelo da Unidade de Membrana
Estrutura trilaminar → 3 camadas:
densa – clara – densa
→ modelo do Mosaico Fluido
Primeiras observações ao ME → estrutura formada por 3 camadas com
duas camadas densas externas de 2nm cada uma + uma intermediária de
aproximadamente 3,5nm.
Zona clara → cadeias de hidrocarbonetos dos lipídios
Camadas densas → proteínas de ambos os lados
• Não eram observadas as pontes claras que atravessam a bicamada lipídica.
• Técnicas de criofratura da membrana do eritrócito → numerosas partículas
no plano de clivagem da membrana.
Esquema de criofratura (Roberts)
Modelo do Mosaico Fluido
Concorda com todos os dados experimentais conhecidos.
Modelo formado por uma bicamada de lipídios formando um fluído
viscoso onde se inserem as proteínas (extrínsecas e intrínsecas).
Aplicado
a
todas
as
membranas celulares
(Mitocôndrias, Cloroplastos,
Retículo
Endoplasmático,
Aparelho
de
Golgi,
Envoltório Nuclear).
Modelo Atual – Singer & Nicholson (1972)
Modelo do Mosaico Fluido
a) Um duplo folheto de lipídios, cujos grupos polares ocupam a face externa e a
face interna da membrana, e as cadeias de carbono dirigem-se
perpendicularmente para a superfície dos 2 folhetos, no espaço que separa
os grupos polares.
b) Proteínas intrínsecas (70%) → fortemente ligadas à membrana.
-
Extração → tratamentos drásticos (detergentes, sais biliares, solventes
orgânicos)
São anfipáticas: pólo hidrofílico (fase aquosa extracelular) e parte interna
hidrofóbica (mergulhada na camada lipídica)
c) Proteínas extrínsecas ou periféricas (30%) → fracamente ligadas à superfície
(forças eletrostáticas ou ligações hidrófobas)
Modelo do Mosaico Fluido (S.J. Singer & G. Nicholson, 1972)
Composição Química: Lipídios
Moléculas mais numerosas das membranas: 50/1 em relação às proteínas
Principais: Fosfolipídios, Esfingolipídios e Colesterol
Fosfolipídios são fosfoglicerídeos de natureza anfipática (cabeça polar e
cauda apolar)
Cauda é formada por dois ácidos graxos de cadeia longa, onde um deles é saturado e outro
insaturado
Fosfolipídios
Colesterol
Esfingolipídios
Glicolipídeos
Propriedades dos Lipídios de Membrana
Por ser anfipáticos, os lipídios em contato com o meio aquoso
formam estruturas complexas de compartimentalização de meios
(interno e externo)
Monocamadas
Lipossomos
Bicamada das Membranas
Características da Membrana Celular
• Assimetria (parcial para lipídios)
• Fluidez
• Movimento (mobilidade de fosfolipídios): rotação, translação e “flip-flop” (raro)
Alterações
da Membrana
Celular no eritrócito
esquema
dos movimentos
de paciente
com p.480.
anemiafig.10-6)
falciforme
Alberts
Modificado de Frenette; Atweh, 2007
Proteínas
Na dependência do grau de associação com a bicamada lipídica, as
proteínas podem ser extrinsecas, integrantes ou transmembrânicas
Proteínas Intrínsecas
Maioria das enzimas da membrana
Antígenos
Proteínas transportadoras
Receptores para hormônios e drogas
Eritrócitos
“Fantasmas“
Banda III PM 93.000
Forma dímeros
Sítio de translocação dos ânios
Principal proteínas intrínsecas
Espectrina
α(240Kda) β (220 Kda)
Dímeros e tetrâmeros
Anquirina (banda 2.1.)
Glicoforina
Atravessa a MP
55 000PM
60% de carboidratos
Proteínas x Camada lipídica
6 modos pelos quais as proteínas da membrana associam-se com a bicamada
lipídica.
1. Única α-hélice
2. Múltiplas α-hélice
3. Único lipídio ligado covalentemente a uma proteína
4. Fosfolipídio de < concentração (fosfatidilinositol)
5. Interações não covalentes
6. Com outras proteínas
CARBOIDRATOS
• Camada de hidratos de carbono (polissacarídeos) + proteínas
• Em todas as células:
a) Glicolipídios → lipídios + carboidratos
b) Glicoproteínas → proteínas + carboidratos
Ex: fibronectina (↑ P.M.)
• Algumas células especiais:
c) Glicosaminoglicanas (unidades repetitivas de
dissacarídeos).
Ex: proteoglicanas (associadas com proteínas)
- células cartilaginosas e ósseas
-Lâminas basais dos epitélios
- camada gelatinosa dos ossos de peixes e anfíbios
- parede celular das células vegetais
Principais Glicosaminoglicanas e
suas Unidades Dissacarídicas
Repetitivas
Glicosaminoglicanas
Unidade dissacarídica
Ácido hialurônico
Ácido D-glicurônico; N-acetil-D-glicosamina
Condroitina
Ácido D-glicurônico; N-acetil-D-galactosamina
Condroitinossulfato A
Ácido D-glicurônico; N-acetil-D-galactosamina 4-sulfato
Dermatan sulfato
Ácido L-idurônico; N-acetil-D-galactosamina 4-sulfato
Queratan sulfato
D-galactose; N-acetil-D-glicosamina 6-sulfato
GLICOCÁLIX
•
Cobertura da membrana celular
•
Características:
- 10 a 20nm de espessura
- Contato direto com a superfície externa da membrana plasmática
- Contém:
a) Cadeias laterais dos oligossacarídeos de glicolipídios e
glicoproteínas integrais da membrana
b) Cadeias de polissacarídeos dos proteoglicanos integrais da
membrana
- Produto de secreção da célula
- Constantemente renovado (reciclagem ativa) → desprendem-se
do meio
Principais funções do glicocálix
FILTRAÇÃO: capilares sangüíneos (glomérulo renal); tecido conjuntivo.
MICROAMBIENTE CELULAR PARTICULAR: muda a carga elétrica; pH.
RECONHECIMENTO CELULAR: rejeição de células estranhas
(transplantes) → histocompatibilidade; (neurônios estabelecem contatos
com muitos → circuito de grande complexidade)
INIBIÇÃO POR CONTATO: células cancerosas
PROTEÇÃO DA MEMBRANA PLASMÁTICA
Glicocálix – Inibição por contato
Parede das Células Vegetais (Parede Celular):Composição Química
Estrutura semi-rígida que envolve a membrana plasmática das células vegetais
Cadeias retilíneas de polissacarídeos constituídas por unidades de glicose
Envolvida com a
Biologia da Planta
Polissacarídeos
Morfologia
Crescimento
Desenvolvimento
Interação com pragas e doenças: barreira contra invasão de vírus,
bactérias, etc.
Pectina
Hemicelulose
Lignina
Não é uma estrutura estática!
Especializações da Membrana: diferenciação estrutural ou uma
transformação morfológica – confere à célula uma função particular.
ESPECIALIZAÇÕES DA MEMBRANA
Especializações
Apicais
Especializações
Laterais
microvilosidades,
estereocílios e cílios
junções celulares:
1. junção bloqueadora: zônula
ocludens
2. junção ancoradoura:
desmossomos, zônula de adesão
e interdigitações
3. junção comunicante: nexus
Especializações
Basais
hemidesmossomos,
Invaginações ou reentrâncias
A classificação das especializações leva em conta a polaridade das células epiteliais
Especializações Apicais
As especializações apicais de membrana são
digitiformes
e
estão
relacionadas
principalmente com o aumento da superfície
de trocas entre a célula e o meio (Absorção e
secreção)
Estereocílios
Microvilosidades
Cílios e flagelos
Epidídimo
Intestino
Traquéia/espermatozóide
Especializações Apicais - Microvilosidades
Microvilosidades
Microvilosidades
Expansões citoplasmáticas cilíndricas limitadas pela
membrana citoplasmática apical.
Importante: fenômenos de absorção
Função: aumentam a superfície da membrana plasmática
a) Microvilosidades isoladas
b) Microvilosidades agrupadas
Células do intestino – borda estriada – (brush border)
Especializações Apicais - Estereocílios
Longas expansões citoplasmáticas “imóveis”.
Funções
estereocílios
- Transporte de espermatozóides
- Absorção de material citoplasmático das
espermátides
- Guiam a evacuação do produto de
secreção
- Vitalidade dos espermatozóides
- Mobilidade
Especializações Apicais – Cílios/flagelos
Diferenciações da superfície livre das células que se relacionam a movimento:
- Deslocamento da célula
- Movimento do meio líquido ao redor da célula
traquéia
Atividade mecânica celular
Gasto de energia (consumo de ATP)
Movimento ciliar
espermatozóides
ESPECIALIZAÇÕES LATERAIS (JUNÇÕES)
1. Junções bloqueadoras
2. Junções Ancoradouras
3. Junções comunicantes
2
ESPECIALIZAÇÕES LATERAIS
Junções bloqueadoras ou compactas – (Tight Junctions)
Selam as células unidas numa camada epitelial para impedir o vazamento de moléculas
através do epitélio e dos espaços entre as células.
As
proteínas
que
constituem as junções
bloqueadoras são as
claudinas e as ocludinas
Especializações Laterais
Junções Ancoradouras ou Aderentes – Adherens junctions
Conectam mecanicamente uma célula a outra célula adjacente e à matriz
extracelular.
Sítios de ligação aos filamentos de actina
a) Célula-célula (cintos de adesão)
b) Célula-matriz (contatos focais)
c) Junções septantes (invertebrados)
Sítios de ligação a filamentos intermediários
a) Célula-célula (desmossomos)
b) Célula-matriz (hemi-desmossomos)
Junções Ancoradouras – Sítios de ligação aos filamentos de actina
a) Célula-célula (cintos de adesão)
Junções Ancoradouras –Sítios de ligação aos filamentos de actina
b) Célula-matriz (contatos focais)
Junções Ancoradouras – Sítios de ligação aos filamentos de actina
c) Junções septantes (invertebrados)
As proteínas que constituem as junções septadas são as
chamadas “Discs-large proteins”, que se ligam aos
filamentos de actina.
intermediários
Junções Ancoradouras – Sítios de ligação aos filamentos caderinas
Placa protéica
de ancoragem
a) Célula-célula (desmossomos)
Desmossomos são junções de
adesão do tipo Macula (pontuais).
Adesão Intercelular.
Light microscopy – phase contrast
Junções Ancoradouras – Sítios de ligação aos filamentos intermediários
b) Célula-matriz (hemi-desmossomos): especialização basal
Os hemidesmossomos fazem a adesão
célula-matriz e se associam a
tonofilamentos
Junções Ancoradouras – Hemidesmossomos
Especializações Laterais
Junções Comunicantes – Gap junctions
Medeiam a passagem de sinais elétricos ou químicos
de uma célula a outra em interação.
Junções Comunicantes – Gap junctions
Junções do tipo “fenda”
Sinapses químicas
criofratura
Célula hepática, MET
coloração negativa
Especializações Laterais
Junções Comunicantes – Plasmodesmos
Comunicação específica entre células vegetais adjacentes
Pontes de material citoplasmático
Circulação livre de líquidos/intercâmbio de solutos e macromoléculas
JUNÇÕES CELULARES EM CÉLULAS EPITELIAIS EM CULTURA
Fisiologia
das
Biomembranas:
através da membrana
1-Transporte de moléculas ou íons isoladamente
A- Difusão Passiva ou Facilitada
A1- Penetração de substâncias por força de gradiente
A2- Proteínas transportadoras de membranas
∗ Proteínas carreadoras
∗ Proteínas canal
B- Transporte Ativo
2-Transporte de grande quantidade de moléculas
A- Endocitose: Pinocitose, Fagocitose
B- Exocitose
transporte
Transporte através da membrana
Osmose → movimento da água na direção que tende a igualar as concentrações de
substâncias dissolvidas em cada lado da membrana.
Mantém em equilíbrio a pressão osmótica (PO) dos líqüidos dos meios intracelular e
intersticial
Isotônica: PO é ≅ à do líqüido intracelular (citoplasma aderido à membrana)
Hipertônica: PO é > que a das células. Solução é + concentrada que a da célula
(citoplasma não aderido à membrana).
Hipotônica: PO é < que a das células. Solução é – concentrada que a da célula
(entra água → célula “incha” → lise celular).
- Plasmólise: sai água da célula para o
meio extracelular
- Deplasmólise: entra água do meio
extracelular na célula
OSMOSE
Eritrócitos
Proteínas transportadoras de membranas: Proteínas Carreadoras (permeases):
- ligam um soluto específico a um substrato;
- sofrem mudanças conformacionais;
- transferem o soluto.
Proteínas transportadoras de membranas: proteínas canal
(porofixo)
- não necessitam ligar o soluto
- várias subunidades protéicas (oligômeros)
- poros hidrofílicos
- poros abertos → solutos passam e cruzam a membrana
- mecanismo + provável → > velocidade e < gasto de energia
PROTEÍNA CARREADORA
PROTEÍNA CANAL
1. Transporte de moléculas e íons isoladamente
A- Difusão passiva ou facilitada → sem consumo de energia
• Algumas substâncias passam para o meio interno e externo da célula por simples DIFUSÃO → processo físico
baseado no movimento aleatório.
A.1. DIFUSÃO PASSIVA: penetração de substâncias por força do gradiente de concentração
• Fatores que interferem na velocidade de penetração das substâncias:
- tamanho das moléculas
- solubilidade nos lipídios
• Moléculas lipossolúveis → quanto + solúveis → + rápida penetração
A.2. DIFUSÃO FACILITADA : sem consumo de energia
Proteínas transmembrana → cadeias
polipeptídicas atravessam a membrana
múltiplas
vezes
(solutos
hidrofílicos
específicos cruzam a membrana sem entrar
em contato direto com o interior hidrofóbico
da bicamada lipídica.
proteínas transportadoras de membranas
Gradiente de concentração favorável
Membranas celulares permitem a passagem de várias moléculas polares pequenas
sem carga (água, uréia, glicerol) e moléculas hidrofóbicas (O2, CO2, N2, benzeno).
- íons
Em uma bicamada lipídica sintética
- açúcares
passam apenas lentamente.
- aminoácidos
- nucleotídeos
Proteínas especiais da membrana transferem esses solutos através das membranas
celulares:
Transporte Ativo
Quando a permease (proteína carreadora ou transportadora) atua movimentando solutos
contra um gradiente favorável.
•Muitas substâncias são requeridas pela célula em concentrações maiores do que aquelas
presentes no exterior celular.
• Estas moléculas são transportadas para o interior celular pelo mecanismo de TRANSPORTE
ATIVO.
• Partículas são bombeadas de uma região de baixa concentração para um região de alta concentração.
Transporte Ativo
1. Ciclo de bombeamento da Na+ K+ - (Bomba de Na+ - K+):
•
Proteínas transmembranas sofrem uma série de alterações conformacionais que
capacitam a troca de sódio por potássio através da membrana.
•
Bomba Na+ K+ → requerem ENERGIA → liberada pela molécula de ATP através da
ATPase dependente de Na+ e K+ (hidrólise ATP → ADP)
•
Energia é transferida do ATP para as proteínas bombeadoras por ligações
covalentes de um dos fosfatos do ATP com a proteína.
•
No final do processo, o fosfato é removido.
Ex: Insulina
Troca desigual:
entram 2 íons K+
saem 3 íons Na+
Transporte ativo - bomba de sódio e potássio
2 K: dentro
da célula
ADP + P
3 Na: fora da célula
1 ATP
Bomba sódio/potássio: gasta 1 ATP (conversão da bola verde
em duas bolas azul claro) e transporta 3 Na para fora da célula e
2 K para dentro da célula.
TIPOS DE TRANSPORTE ATRAVÉS DA
MEMBRANA PLASMÁTICA
2. Transporte de grande quantidade de moléculas
A - Endocitose
Pinocitose
Fagocitose
B - EXOCITOSE
Legenda: Processo de endocitose por fagocitose.
FIM