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Rafael H.Valverde
[email protected] Laboratório de Físico-Química Biológica G-37
Biologia Celular para Nanotecnologia IBCCFº UFRJ
Maio – 2013
Propriedades Fundamentais Barreira semi-permeavel
seletividade
Compartimentalização
estocagem, tráfego
Suporte para reações
reações simultâneas
Proteção Movimento, comunicação
diapedese, intercâmbio
A Bicamada Lipídica
diferentes funções organela-específicas filme relativamente fino de 5 nm mantido por interações não-covalentes Figure 10-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
bicamada lipídica forma revestimento extremamente dinâmico onde se inserem proteínas (bloqueio da passagem de substâncias hidrossolúveis)
Composição Estrutural das Membranas Biológicas Filme muito fino de 5-8 nm de espessura, composto por:
LIPÍDIOS
GLICÍDIOS
PROTEÍNAS
glicerofosfolipídeos
monossacarídios ou oligossacarídios de glicolipídios
periféricas
esfingolipídios
integrais
glicolipidios
colesterol (~50%)
oligossacarídios das glicoproteínas de membrana
(~50%)
lipídios tem natureza anfipática: uma extremidade polar e esqueleto com duas cadeias de ácidos graxos apolares
maior parte dos lipídeos da membrana plasmática são glicerofosfolipídeos uma das cadeias tem uma ou mais ligações duplas (insaturação) (importância estrutural)
Quatro Fosfolipídeos Principais em Mamíferos
longa cadeia de ácido graxo e OH livre
glicerol possui três carbonos que servem de suporte para o fosfato e um grupamento variável (colina, serina, etanolamina, etc) Figure 10-3 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
outros fosfolipideos importantes por suas propriedades biológicas são esfingolipídeos (esfingosina no lugar do glicerol, OH livre!!)
Esfingolipídios
além das formas naturais, esfingolipídios podem ser encontrados fosforilados diferentes propriedades biológicas!!
A Estrutura do Colesterol
bicamadas lipídicas de animais possuem além de fosfolipídeos uma grande quantidade de colesterol (até 1 para cada lipídeo) Figure 10-4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
cabeça polar (hidroxila) e anéis esteróides de alta rigidez que se intercalam entre os lipídeos na membrana
Colesterol em uma Membrana
confere maior rigidez a membrana (menor deformação) (importante em tipos celulares expostos a stress)
esta interação acontece em uma das monocamadas da membrana celular Figure 10-5 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Interação de Moléculas Hidrofílicas e Hidrofóbicas com a Água
moléculas hidrofílicas se dissolvem prontamente em água formam interações eletrostáticas favoráveis ou pontes de hidrogênio com a água Figure 10-6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
moléculas de água neste “envoltório” se agrupam para afetar o menor numero de moléculas possível (ordem = energia gasta!!)
moléculas hidrofóbicas são insolúveis pois quase todos os seus átomos não são carregados, não interagindo com a água forçam as moléculas de água a formar uma espécie de envoltório em torno da molécula hidrofóbica
Os Rearranjos Lipídicos em Solução
cabeça polar em contato com a água e cadeias de ácidos graxos protegidas internamente
domínios hidrofóbicos e hidrofílicos se comportam de forma semelhante, formando estruturas que dependem da forma dos lipídeos Figure 10-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
uma cadeia de ácidos graxos: forma cônica levando a formação de micelas duas cadeias de ácidos graxos: forma cilíndrica levando a formação de bicamada lipídica
Fechamento da Bicamada em um Compartimento fosfolipídios formam bicamadas espontaneamente (arranjo mais estável energeticamente) capacidade de auto-reparo (re-arranjo para livrar arestas do contato com a água) formação de vesículas (importância vital)
outra característica que torna a bicamada lipídica ideal para formar o envoltório celular: fluidez
Figure 10-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Os Lipossomas
durante décadas se imaginou as membranas como estruturas estáticas!!
nos anos 70: estudos com membranas sintéticas (lipossomas e folhas planares)
lipídeos se difundem pela membrana (marcação de lipídios com molécula fluorescente) Figure 10-9a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Bicamada Lipídica Sintética
estudos com membranas sintéticas determinaram as propriedades de permeabilidade da membrana permeabilidade seletiva para íons e outras moléculas (aa, glicose, etc) Figure 10-10 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
Composição Iônica dos Meios Intra e Extracelular
permeabilidade da membrana é maior para substâncias hidrofóbicas e apolares de pequeno tamanho pequenas moléculas polares como glicerol e ureia atravessam lentamente e grandes moléculas demoram muito
qualquer íon: não atravessa a membrana
Figure 11-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
A Mobilidade dos Fosfolipídios em Bicamadas lipídio raramente muda de monocamada (“flip-flop”) troca de posição entre lipídeos em um mesmo folheto: 107 vezes/seg alta difusão lateral: 10-8 cm²/seg (extensão de uma bactéria!)
alta mobilidade em torno do próprio eixo e das cadeias de ácidos graxos bicamada é uma estrutura altamente dinâmica e desordenada
Figure 10-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
O Movimento Entre e Intra-bicamadas
características físico-químicas dos lipídios influenciam a taxa de transferência entre monocamadas e entre membranas diferentes saturação e longas cadeias de a.graxos aumenta interação entre lipidios e diminuem ambos os movimentos (rafts!)
aumento do tamanho e polaridade da cabeça ou diminuição da hidrofobicidade do esqueleto aumentam taxa de transferência entre membranas mas diminuem flip-flop Holthuis & Levine, Nature Rev. Mol. Cell Biol., 6 2005
Assimetria é Gerada por Proteínas se o movimento entre uma monocamada e outra é muito lento de que forma ocorre a síntese da bicamada?! scramblases no RE: distribuição aleatória flipases na membrana plasmática: construção da assimetria assimetria requer dispêndio de energia (flipases são dependentes de ATP!!)
REf
Sinais para Fagocitose da Célula Apoptótica
exposição da fosfatidilserina na monocamada externa sinaliza a morte celular programada (apoptose) durante a apoptose scramblases são ativadas na membrana plasmática ou flipases são inativadas
Orrenius et al., Nature Rev. Mol. Cell Biol. 4, 2003
Sinais para Fagocitose da Célula Apoptótica cadeias curtas e insaturação: menos interações intermoleculares (permanece fluida em temperaturas mais baixas!!)
fluidez da membrana está associada a sua composição fosfolipídica funcionamento das proteínas inseridas depende do nível de viscosidade da membrana Figure 10-12 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
baixas temperaturas: aumento da viscosidade (estado gel que altera o funcionamento de algumas proteínas) “mudança de fase” (temperatura requerida é mais baixa se fosfolipideos forem curtos e insaturados!!)
Composição Lipídica de Diferentes Membranas colesterol modula as propriedades da membrana tornando-a menos deformável (menos permeabilidade). alto colesterol impede a cristalização
eucariotos possuem alta concentração de colesterol e diferentes fosfolipídios Table 10-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
bactérias não contém colesterol e tem apenas um tipo de fosfolipídio (PE)
fosfolipídios de baixíssima concentração podem ter papel importante em processos de sinalização
Dispersão Lipídica Lateral em Membranas forças de van der waals não são suficientes para manter lipídios unidos por muito tempo (distribuição randômica na monocamada) na presença de determinada mistura fosfolipídios ocorre interação prolongada!! esfingolipídios: longas cadeias de ácidos graxos (mais interações de baixa energia)
colesterol é importante nestas regiões de composição lipídica mais homogênea
fosfatidilcolina, esfingomielina
Figure 10-13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
fosfatidilcolina, esfingomielina e colesterol
Microdomínios Lipídicos (rafts)
rafts: microdomínios da membrana com composição diferenciada, rica em esnfingolipídios e colesterol
composição diferenciada acomoda melhor atividade de alguma proteínas de membrana
rafts são mais espessos e que o resto da membrana
ilhas de organização da atividade enzimática (sinalização celular) e endocitose
Figure 10-14b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
domínios citosólicos da caveolina interagem (distorção da membrana) (forma de ômega/cálice) interação com outras proteínas (complexos proteicos com importância na sinalização)
Razani & Lisanti (2001). Exp. Cell. Res. 271, 36-44
Os Microdomínios de Membrana
cavéolas: microdomínios formados pela caveolina rafts podem tanto agregar quanto segregar proteínas de membrana
Parton & Simons, Nature Rev. Mol. Cell Biol. 8, 2007
A Atividade da PMCA em Cavéolas a ATPase transportadora de Ca2+ da membrana plasmática (PMCA) renal se localiza exclusivamente em cavéolas! gradiente de sacarose seguido de eletroforese e western blotting (detecção de PMCA e caveolina)
ensaio da atividade de PMCA nas frações do gradiente Tortelote et al., FEBS Lett. 576, 2005
A Membrana Plasmática: Modelo do Mosaico Fluido (Singer & Nicholson) modelo do mosaico fluido foi adotado no final da década de 70 membrana seria como um “mar” de composição complexa lipídico/proteica semi-permeável e de grande fluidez
Atualizando o Modelo do Mosaico Fluido...
modelo do mosaico fluido não leva em consideração a existência de rafts lipídicos Edidin, Nature Rev. Mol. Cell Biol. 4, 2003
A Quebra do Dogma do Mosaico Fluido
membrana “mais mosaica do que fluida” complexidade na sua composição molecular mas com “ilhas” de fluidez diferenciadas Engelman et al., Nature 438, 2005
Modelo para a Formação das Droplets células armazenam lipídios em gotículas lipídicas (droplets) (fonte de energia e biosíntese da membrana) adipócitos são especializados no estoque de lipídios
droplets armazenam triglicerídeos e colesterol sintetizados no RE não possuem grupamento hidrofílico!! envoltos por apenas uma monocamada fosfolipídica
proteínas controlam o acesso aos lipídeos contidos nas gotículas
Distribuição dos Fosfolipídios é Assimétrica nas Monocamadas
composição da bicamada é assimétrica entre as monocamadas ex: eritrócitos: alocam toda a fosfatidilcolina (PC) na camada externa e fosfatidilserina (PS) e etanolamina (PE) na interna assimetria é importante nos mecanismos de sinalização intra e extracelular Figure 10-16 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
PS é negativamente carregada na sua cabeça polar conferindo diferença de cargas entre monocamadas proteína cinase C (PKC) é ativada por PS que tb ativa apoptose no meio extracelular
Composição Lipídica das Membranas Biológicas
Scramblase!!
lipídeos diferentes nas membranas de compartimentos diferentes lipídeos diferentes em monocamadas diferentes da mesma membrana lipídeos sinalizadores que derivam destes lipídeos estruturais na monocamada interna
Meer et al., Nature Rev. Mol. Cell Biol., 9 2006
Alguns Lipídios Podem Ser Modificados
lipídios podem sofrer modificações (papel biológico) fosfatidilinositol (PI) fosforilavel (lipídiocinases!!) PI3K (cinase que fosforila PIP2) Figure 10-17a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
fosfatases podem defosforilar fosfatos específicos mudando o significado da mensagem
anel de inositol na cabeça polar do fosfatidilinositol (PI) pode ser fosforilada em diferentes posições PI3K reconhece PIP2 (2 fosfatos, nas posições 4 e 5) e fosforila a posição 3: forma PI(3,4,5)P3 presença de PIP3 na membrana atrai proteínas de sinalização
Alguns Lipídios Podem Ser Modificados DAG!! (ativa PKC)
PI pode também ser metabolizado gerando produtos com papéis biológicos distintos fosfolipase C (PLC) cliva uma das formas do PI gerando dois metabolitos bioativos!!
Figure 10-17b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
IP3!! (libera Ca2+ estocado no RE)
A Ação das Fosfolipases sítios onde PIP2 pode ser clivado por diferentes fosfolipases gerando metabólitos com papéis biológicos distintos
fosfolipase A1 (PLA1), fosfolipase A2 (PLA2) fosfolipase C (PLC), fosfolipase D (PLD)
Figure 10-17c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
