Fig. 1 Bicamada fosfolipídica. Os fosfolipídeos estão organizados em uma bicamada, com as caudas hidrofóbicas interiorizadas e, nas duas faces (extracelular e citosólica), as cabeças hidrofílicas expostas. Na face extracelular  observam-se moléculas de carboidratos inseridas tanto em lipídios (glicolipídeos) como em proteínas (glicoproteínas). As proteínas de  membrana podem ser divididas em duas classes: proteínas integrais de membranas e periféricas. As proteínas integrais de membrana podem atravessar a membrana plasmática adotando uma estrutura secundária em alfa-hélice, atravessando-a uma vez (unipasso) ou diversas  vezes (multipasso). Além disso, uma proteína integral pode se inserir na membrana adotando uma estrutura  em folha-beta chamada de barril-beta. Proteínas integrais também podem atravessar somente uma das bicamadas lipídicas ou serem ancoradas na membrana por âncoras lipídicas. Exemplos de proteínas integrais transmembranares: canais e bombas iônicas, receptores de membrana, proteínas envolvidas no ancoramento célula-célula ou célula-matriz.

 

Fig. 2 Estruturas dos principais componentes da membrana. O fosfolipídeo é composto das duas caudas de hidrocarbonos, uma saturada e outra insaturada (levemente flexionada), que são hidrofóbicas; ligado a elas está molécula de glicerol e, depois, o fosfato; a molécula de colina, característica da fosfatidilcolina. O colesterol é um esterol, com uma estrutura em anel rígida, com um grupo OH- em uma extremidade e uma cadeia de hidrocarbonetos na outra. Muitos glicolipídeos tem como uma base uma esfingosina, e estão associados a moléculas de carboidratos.

 

Fig. 2.1 Consequências das diferenças entre caudas de hidrocarbonetos dos fosfolipídeos. Ligações duplas cis produzem torções nas caudas de hidrocarbonetos dos fosfolipídeos, que as tornam mais difíceis de agruparem, tornando a membrana mais fluida em baixas temperaturas. Cadeias de hidrocarboneto com ligações duplas cis fazem com que a temperatura de transição de fase dos fosfolipídeos seja mais baixa, ou seja, os torna mais difícil de congelarem. Além disso, as caudas de hidrocarboneto dos fosfolipídeos que possuem insaturações são mais distantes uma das outras, formando uma camada de fosfolipídeos menos espessa do que a formada por cadeias de hidrocarbonetos saturados.

 

Fig. 3 Compartimentalização dos fosfolipídeos. Por serem moléculas anfipáticas, os fosfolipídeos possuem uma região hidrofílica (a cabeça) e a hidrofóbica (cauda de hidrocarbonetos). Quando possuem uma única cauda, adquirem formato cônico no espaço; a cauda hidrofóbica tenta se interiorizar e, com isso, forma estruturas esféricas chamadas “micelas”. Quando possuem duas caudas, a insaturação de uma delas garante um espaçamento entre as caudas e a molécula adquire formato cilíndrico. Ao se juntarem formam bicamadas, como uma folha, mas os fosfolipídeos deixam expostos as caudas em suas extremidades; espontaneamente esta folha dobra-se sobre si mesma  e forma um compartimento selado.

 

Fig. 4 Difusão dos fosfolipídeos pela membrana. Além de as moléculas lipídicas serem capazes de trocar de lugar umas com as outras (“difusão lateral”), elas podem flexionar suas caudas de hidrocarbonetos ou girar ao redor do seu próprio eixo (A). Raramente migram de uma monocamada para outra (“flip-flop”), mas esse movimento pode ser auxiliado por proteínas de membrana como flipases, flopases e scramblases (B).

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Fig. 5 Permeabilidade de diferentes moléculas na membrana. Quanto menor e mais apolares as moléculas, mais facilmente elas atravessam a barreira hidrofóbica das caudas de hidrocarbonetos da membrana. Moléculas polares ainda são capazes de atravessá-la, ainda que de forma muito mais lenta. Moléculas carregadas, como íons, não são capazes de atravessá-la, e para isso, necessitam do auxílio de canais ou bombas proteicas.

 

Fig. 6 Diferentes proteínas de membrana e como se inserem na bicamada. As proteínas integrais podem ser transmembranares; elas atravessam a bicamada como uma estrutura em hélice-alfa, apenas uma vez, sendo unipasso (1), ou várias vezes, sendo multipassso (2), como como barril-beta, com estrutura em folha-beta (3). Elas podem se inserir em uma monocamada entre os lipídeos, ficando parcialmente expostas (4). As proteínas podem estar ligadas covalentemente a uma cadeia de fosfolipídeos, ficando inteiramente expostas (5 e 6). Já as proteínas periféricas estão ancoradas por ligações não-covalentes a outras proteínas integrais transmembranares (7 e 8).

 

Fig. 7 Proteínas com estrutura em hélice-alfa podem se inserir várias vezes e formar canais como os de aquaporinas, que permite a passagem de moléculas de água através da membrana; ou com estruturas em folhas-beta, formar canais (barris) maiores. As proteínas também podem estar ancoradas a lipídeos através de ligações covalentes. Proteínas periféricas, como a talina, podem se ligar a filamentos de actina ou a proteínas integrais como integrinas, que por sua vez se ligam a proteínas da matriz extracelular (como colágeno), garantindo adesão ao substrato.

 

Fig. 7.1 Plotagem de hidropatia para localizar hélices transmembranares da bacteriorrodopsina. Utilizado para localizar potenciais segmentos de α-hélice que atravessaram a membrana. Um índice de hidropaticidade elevado (+) indica uma região hidrofóbica (apolar) do polipeptídeo, e um índice baixo (-) indica região hidrofílica (polar). Na imagem observamos a plotagem de hidropatia da bacteriorrodopsina (proteína de membrana de arquiobactérias), com 7 picos positivos, indicando a existência de 7 possíveis hélices transmembranares. Cada molécula de bacteriorrodopsina é enovelada em 7 α-hélices transmembrana.

 

Fig. 8 O glicosilamento proteico pode ocorrer nas diferentes proteínas de membrana (glicoproteínas ou proteoglicanos) ou em moléculas lipídicas (glicolipídeos), desde poucos carboidratos até oligossacarídeos; tem como função a proteção da membrana contra agressões físicas ou químicas, ou servir como malha de retenção para nutrientes e enzimas.

 

Fig. 9 Tight Junction. Existem barreiras formadas por junções que criam verdadeiros domínios. As junções celulares ou tight junctions consistem de complexos multiproteicos, que proporcionam o contato entre as células vizinhas, ou entre uma célula e a matriz extracelular. Elas também constroem a barreira paracelular do epitélio e controlam o transporte intracelular. As junções celulares são especialmente abundantes em tecidos epiteliais.

 

Fig. 10 A imagem representa o gradiente eletroquímico e o potencial da membrana em diferentes situações, mostrando como a mudança dos mesmos alteram a passagem de íons para seu interior. Sendo assim, é preciso manter estes fatores sempre estáveis para que ocorra o funcionamento efetivo das funções celulares. Os responsáveis por manter essas diferenças vitais para as células são os transportadores e os canais.

 

Fig. 11 Transportadores e canais. Primeiramente, observamos um canal, que na membrana celular, interagindo fracamente, facilita a difusão com uma grande velocidade. Estes canais são de grande importância para a célula, pois não necessitam de um longo processo para ocorrer a difusão, o que permite a rápida entrada ou saída de moléculas quando necessário. Ao lado encontramos um transportador (carreador) que também facilita a difusão, porém, pode ser a favor ou contra o gradiente eletroquímico e possuem menos velocidade por interagir mais fortemente.

 

Fig. 12 Transporte passivo e transporte ativo. O transporte passivo, como observado na figura, ocorre quando a favor do gradiente eletroquímico e não necessita de gasto energético, o que ocorre sempre nos canais e em alguns transportadores. O transporte ativo ocorre nos transportadores e é sempre contra o gradiente eletroquímico, tornando necessário o gasto energético. O transportador, quando carregando uma molécula contra o gradiente, e havendo gasto de ATP (transporte ativo) é chamado de bomba.

12.1 Exemplo de transportadores ativos e passivos em células do intestino. O transporte transcelular de glicose que acontece no intestino depende de proteínas transportadoras presentes na membrana de células intestinais de forma não uniforme. A glicose é transportada para o interior da célula em um simporte moderado por Na+. O açúcar e o sódio de ligam a diferentes sítios da proteína e, como o Na+ tende a entrar na célula, a favor do seu gradiente, a glicose é “carregada” junto (contra o seu gradiente eletroquímico). A baixa concentração de sódio no interior da célula é mantida por bombas de sódio e potássio presentes nos domínios basal e lateral. Nesses domínios da membrana também há proteínas transportadoras uniporta de glicose que vão mediar o transporte passivo do açúcar do interior da célula para o fluido extracelular, a favor do gradiente. A concentração baixa de glicose no meio extracelular também é mantida por junções aderentes impermeáveis entre as células adjacentes, o que impede a passagem de soluto pelo epitélio entre as células. A capacidade de transporte dos tecidos epiteliais é otimizada pela presença de microvilosidades, que aumentam a área de membrana no domínio apical.

 

Fig. 13 Transportadores e suas variações. Na figura observamos um transportador simples, conhecido como ONIPORTA que transporta somente uma molécula por vez. Ao lado estão dois tipos de transportadores acoplados, o SIMPORTA em que a molécula e o íon são transportados na mesma direção, e o ANTIPORTA em que a molécula e o íon são transportados em direções contrárias.

 

Fig. 14 Transportadores – Tipos de bombas. Estão representados respectivamente na figura a bomba tipo P, que bombeia íons e é fosforilada consumindo ATP, a bomba do tipo F, que produz ATP através do potencial de prótons e a bomba ABC, que transporta pequenas moléculas utilizando moléculas de ATP como fonte de energia.

 

Fig. 15 Bombas do tipo F. São bombas do tipo turbina com multipassagem de subunidades que fornecem energia para o funcionamento das células através da síntese de ATP (trifosfato de adenosina) a partir de ADP (adenosina bifosfato) e de fosfato inorgânico, utilizando para isso a diferença de gradiente eletroquímico interno e o externo como fonte de energia.