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Biofísica

• Modelos de Membrana Celular
• Prof. Dr. Walter Filgueira de Azevedo Jr.

BIOFÍSICA
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Resumo

• ? Modelos de membrana celular modelos de
  Robertson, Stein Danielli, Lucy Glauert,
  Benson e Lenard Singer
• Modelo de mosaico fluido
• ? Simulação computacional da membrana celular
• ? Composição lipídica da membrana celular
• ? Modelo atual de membrana celular
• ? Proteínas de membrana celular
• ? Referências

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Membrana Celular
A principal função da membrana celular é manter,
de forma seletiva, moléculas tão diversas como
proteínas e pequenos solutos, no interior da
célula. Assim, a membrana funciona de forma
eficiente para regular seletivamente sua
permeabilidade.  A composição da membrana celular
tem sido estudada de forma intensa, a partir do
uso de diversas técnicas físicas e químicas,
discutiremos a seguir a evolução dos principais
modelos da membrana celular.
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Membrana Celular
No livro clássico de Oparin, A Origem da Vida,
esse propôs que para qualquer forma de vida, das
mais simples que sejam, faz-se necessária uma
barreira física, que separe a parte viva do meio
que a cerca. Esse trabalho destaca a necessidade
de uma membrana para isolar, até mesmo as formas
de vida mais simples, do meio exterior.
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Modelos de Membrana Celular
Modelo de Robertson (1957). O estudo de
eritrócitos realizados por Gorter Grendel em
1925 indicou que o conteúdo lipídico das
membranas ocupava uma área duas vezes maior que a
superfície da célula. Tal observação levou à
hipótese da bicamada lipídica, com a parte polar
voltada para os meios intra e extra celular e a
parte hidrofóbica voltada para o interior da
membrana, escondida do solvente. Posteriormente
Schmitt e colaboradores, a partir de estudos de
polarização da luz, propuseram que eritrócitos
apresentavam lipídios perpendiculares ao plano da
membrana, como espera-se de uma bicamada (Schmitt
et al., 1937, 1938). Outros cientistas propuseram
a presença de proteínas nas membranas (Danielli
Davson, 1935), com a participação protéica
estendendo-se até 60 da membrana. Baseado
nessas informações Robertson (1957, 1981) propôs
que as proteínas estivessem distribuídas sobre a
superfície da membrana.
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Modelos de Membrana Celular
O modelo de Robertson era coerente com a
informação sobre a presença de proteínas nas
membranas, bem como com a presença da bicamada
lipídica, contudo falhava ao colocar proteínas
globulares na superfície da membrana. A presença
de uma camada de proteína na membrana formava uma
blindagem na superfície da membrana, o que
impossibilita a comunicação entre os meios intra
e extra-celular. Referências Robertson, J. D.
(1957). J. Biophys. Biochem. Cytol.,
31043-1048. Robertson, J. D. (1981). J. Cell
Biol. 91(3 Pt 2)189s-204s. Review.
Bicamada lipídica
Proteína globular
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Modelos de Membrana Celular
Modelo de Stein Danielli. Esse modelo propõe a
presença de um canal transmembrana composto por
proteínas, o que permite comunicação entre os
meios intra e extra celular, aumentando a
permeabilidade da membrana celular. Nesse modelo
toda a membrana é revestida por proteínas Stein
Danielli (1956). O principal problema desse
modelo é o envolvimento de toda a membrana
celular por proteínas, não há contato para porção
polar da bicamada lípídica com o solvente do meio
extracelular, ou com o citoplasma, a bicamada
lipídica fica blindada pela proteína.
Fonte Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora
Savier, 2000 (pg. 5).
Referência Stein, W. D. Danielli, J. F.
(1956). Discuss. Faraday Soc. 21238-251.
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Modelos de Membrana Celular
Modelo de Lucy Glauert. Nesse modelo o lipídeos
formam micelas globulares, que estão revestidas
por proteínas (Lucy Glauert, 1964). Esse modelo
apresenta o mesmo problema do modelo de
Robertson, não há comunicação entre os meios
extra e intra celular.
Fonte Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora
Savier, 2000 (pg. 5).
Referências Lucy, J. A. Glauert, A. M. (1964).
J. Mol. Biol. 12 727-748. De Mello, W. C.
(1972). Electrical phenomena in the heart,
Academic Press, New York and London.
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Modelos de Membrana Celular
Modelo de Benson. Nesse modelo a membrana é
composta por uma matriz protéica com lipídios
dispersos. O principal problema dessa proposta
está na inexistência de canais transmembranas. Re
ferência Benson, A. A. (1966). J. Amer. Oil
Chem. Soc., 43265-270.
Fonte Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora
Savier, 2000 (pg. 5).
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Modelos de Membrana Celular
Modelo de Lenard Singer. Esse modelo, mais
realístico, prevê a presença de proteínas numa
bicamada lipídica (Lenard Singer, 1966), há
previsão de proteínas transmembranas que
atravessam a bicamada lipídica. Referência
Lenard, J. Singer, S. J. (1966). Proc. Natl.
Acad. Sc. 561828-1835.
Modelo de LenardSinger, , indicando duas
proteína inseridas na bicamada lipídica
(elipsóides cinzas). A proteína da esquerda é
uma proteína extrínseca e a da direira uma
proteína intrínseca. Os fosfolipídios são
indicados com a cabeça polar em preto e a cauda
hidrofófica pelas linhas que saem da esfera
preta.
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Modelos de Membrana Celular
Proteínas extrínsecas
Modelo de mosaico fluido. Experimentos mais
detalhados mostraram deficiências nos diversos
modelos de membrana celular. Singer e Nicolson
(1972) propuseram um modelo de membrana
constituído de uma bicamada lipídica, onde
encontram-se inseridas proteínas. Há dois tipos
de proteínas inseridas na membrana, uma que
atravessa toda a membrana, chamada proteína
intrínseca, ou transmembrana. O segundo tipo de
proteína localiza-se sobre a membrana, sendo
encontrada tanto no exterior como voltada para o
citoplasma. Esse segundo tipo de proteína é
chamado extrínseca.
Proteína intrínseca, ou transmembrana
Referência Singer, S. J. Nicolson, G.
L. (1972) Science, 175720-731.
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Modelos de Membrana Celular
Proteínas extrínsecas
Esse modelo prevê a passagen seletiva de íons
pelas proteínas intrínsecas, que são chamadas de
canais ou bombas como veremos em detalhe no
estudo do potencial de membrana.  Outra
característica desse modelo é liberdade de
movimentação das proteína na bicamada. De acordo
com características básicas do modelo, mosaicismo
e difusão, previu-se a liberdade lateral e
rotatória, assim como a distribuição aleatória de
componentes moleculares na membrana.
Proteína intrínseca, ou transmembrana
Referência Singer, S. J. Nicolson, G.
L. (1972) Science, 175720-731.
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Modelos de Membrana Celular
O modelo de mosaico fluido é usado até hoje,
apesar de experimentos posteriores, terem deixado
claro que a liberdade de movimentação das
proteínas transmembranas e extrínsecas, não
representa a realidade observada (Vereb et al.,
2004).  Uma das características da membrana
celular, não previstas no modelo de mosaico
fluido, é que as proteínas apresentam uma
distribuição não aleatória, há uma concentração
de proteínas em regiões definidas na membrana,
conhecidas como balsas lipídicas. Essas balsas
lipídicas são pequenas da membrana,  onde alguns
lipídios (normalmente esfingolipídeos e
colesterol) e proteínas estão concentrados.
Balsas lipídicas, mostrando setores da membrana
que fixam essas nas regiões indicas. Fonte Vereb
et al. 2004.
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Modelo Atual da Membrana Celular
Um modelo para membrana celular mais realístico
prevê além da clássica bicamada lipídica e as
proteínas transmembranas e extrínsecas os
seguintes aspectos 1) Distribuição não
aleatória das proteína na membrana. O modelo
original de mosaico fluido prevê uma distribuição
aleatórias das proteína na bicamada
lipídica. 2)Contatos moleculares quase
permanentes. 3) Domínios de membrana difusão
limitada, reorganização dinâmica. 4)
Plataformas lipídicas.  5) Proteínas são
importantes elementos estruturais. 6)
Estruturação dinâmica.
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Modelo Atual da Membrana Celular
Proteína da classe ?
Glicolipídio
Cadeia lateral de oligossacarídeo
Proteína globular
Fosfolipídeo
Segmento hidrofóbico da proteína
Colesterol
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Composição Lipídica da Membrana Celular
Há três tipos de lipídios na membrana celular
animal, segundo estudos de Rouser e colaboradores
de 1968. 1) Esteróides colesterol 2)
Fosfolipídios Esfingomielina Fosfatidilcolina F
osfatidiletanoamina fosfatidilserina Lecitina
3) Glicolipídios
Referência Rouser, G., Nelson, G. J.,
Fleischer, S. (1968). In Biological Membranes
Ed. by D. Chapman, Academic Press, New York.
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Composição Lipídica da Membrana Celular
Biomembranas são baseadas principalmente em
lipídios, com predominância de fosfolipídeos. A
estrutura química geral de uma molécula de
fosfolipídio é mostrada na ao lado (figura a).
Essa molécula é basicamente um glicerol (figura
b), sobre a qual foram atachadas as cadeias de
ácidos graxos (R1 e R2), via ligações do tipo
éster, ao fosfato pode-se ligar qualquer
molécula, designada na figura a por X.
a) b)
Fosfolipídio
Glicerol
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Composição Lipídica da Membrana Celular
Um dos ácidos graxos típicos, encontrados nos
fosfolipídios, é chamado ácido palmítico. A
molécula de ácido palmítico apresenta 16 carbonos
e 31 hidrogênios. Esse ácido graxo é dito
saturado, pois apresenta o maior número de
possível de hidrogênios. A presença de ligações
duplas na cadeia de ácido graxo indica que o
mesmo é não-saturado. As duas cadeias R1 e R2 não
precisam ser homogêneas, ou seja, podem
apresentar cadeias de tamanhos distintos. Nos
fosfolipídios uma parte de molécula é polar, a
cabeça hidrofílica, e a parte não-polar, composta
pelas duas cadeias de ácidos graxos. O diagrama
esquemático abaixo ilustra uma molécula de
fosfolipídio. Moléculas que apresentam parte
polar e parte hidrofóbica são chamadas
anfipáticas.
Caudas hidrofóbicas
Cabeça polar
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Simulação Computacional da Membrana Celular
Um grande número de modelos computacionais de
membranas celulares foram construídos e
submetidos à simulação de dinâmica molecular.
Esses modelos usam diferentes componentes para a
formação da bicamada, no exemplo ao lado foram
usadas 200 moléculas de 1-palmitoil-2-oleoil-sn-gl
icerol-3-fosfatidilcolina, formando uma caixa
retangular com 5483 moléculas de água interagindo
com a parte polar da bicamada. As dimensões do
sistema da membrana mais moléculas de água são de
100 x 75 x 35 Å, sendo a última a espessura da
bicamada.
Referência Heller, H., Schaefer, M. Schulten,
K. (1993). J. Phys. Chem. 978343-8360.
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Centro de Reação Fotossintética de
Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. O complexo
protéico, centro de reação fotossintético da
bactéria púrpura Rhodopseudomonas viridis, é o
local da etapa inicial da captura de energia
luminosa na fotossíntese. Esse complexo protéico
é composto de quatro cadeias polipeptídicas,
indicadas na figura ao lado, nas cores azul,
vermelha, cinza e dourado. Há também quatorze
cofatores de baixo peso molecular, indicados em
amarelo. Entres os cofatores temos cromóforos,
que absorvem a energia de excitação, que é
convertida em potencial eletroquímico, através da
membrana. Referência Deisenhofer, J. Michel,
H. (1989) EMBO J. 82149-2170.
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Centro de Reação Fotossintética de
Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. Na presente
visão a molécula está deslocada aproximadamente
90 graus em relação à anterior, considerando-se o
eixo vertical paralelo à tela. Ambas vistas
mostram a estrutura com todos os átomos das
proteínas, como esferas rígidas. São excluídas
desta representação os átomos de hidrogênio. Esse
complexo protéico foi a primeira proteína
intrínseca de membrana a ter sua estrutura
tridimensional elucidada, usando-se técnicas de
cristalografia de raios X em 1989 (Deisenhofer e
Michel, 1989), fato esse que foi laureado com o
prêmio Nobel de Química de 1989. Referência
Deisenhofer, J. Michel, H. (1989) EMBO J.
82149-2170.
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Centro de Reação Fotossintética de
Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. Esse complexo
protéico apresenta dimensões aproximadas de 72 Å
x 72 Å x 132 Å, sendo 1 Å 10-10 m.
Referência Deisenhofer, J. Michel, H. (1989)
EMBO J. 82149-2170.
132 Å
72 Å
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Centro de Reação Fotossintética de
Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. Nessa
representação os resíduos de aminoácidos
hidrofóbicos estão em cinza, os polares em verde,
os ácidos em vermelho e os básicos em azul.
Átomos pertencentes aos cofatores estão em ciano.
Vemos claramente uma heterogeneidade na
distribuição de cargas na superfície das
proteínas. No centro temos uma região
hidrofóbica, e nas partes superior e inferior uma
concentração de resíduos de aminoácido carregados
e polares. Referência Deisenhofer, J. Michel,
H. (1989) EMBO J. 82149-2170.
132 Å
72 Å
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Centro de Reação Fotossintética de
Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. A cadeia azul
é a proteína chamada citocromo, as cadeias
vermelha e cinza são chamadas subunidades L
(Light) e M (Medium), respectivamente e a cadeia
dourada é chamada cadeia H (Heavy).
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Centro de Reação Fotossintética de
Rhodopseudomonas viridis
O centro de reação fotossintético. A
representação à esquerda indica os elementos de
estrutura secundária, notadamente hélices, fitas
beta e regiões de coil. As cadeias L e M
apresentam preponderantemente hélices, enquanto o
citocromo e a cadeia H apresentam outros
elementos de estrutura secundária. Observação
As coordenadas atômicas usadas para representar a
estrutura do centro de reação fotossintético
estão depositadas no banco de dados de estruturas
PDB (Protein Data Bank) com código de acesso
1PRC. O endereço do PDB é www.rcsb.org/pdb .
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Trabalho
1) Faça um diagrama esquemático da membrana
celular e discuta suas principais
características. 2) A partir da análise da
estrutura do centro de reação fotossintético
proponha um modelo para sua interação com a
membrana celular.
Parte polar Parte hidrofóbica Parte polar
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Referências

• Danielli, J. F. Davson, H. (1935). J. Cell.
  Comp. Physiol., 5495-508.
• Garcia, E. A. C. Biofísica. Editora Savier, 2000.
• Gorter, E. Grendel, F. (1925). J. Exp. Med.
  41439-443.
• Purves, W. K., Sadava, D., Orians, G. H., Heller,
  H. G. Vida. A Ciência da Biologia. 6a ed. Artmed
  editora. 2002.
• Schmitt, F. O., R. S. Bear, and E. Ponder. (1937)
  . J. Cell. Comp. Physiol 9 89-92.
• Schmitt, F. O., R. S. Bear, and E. Ponder. (1938)
  . J. Cell. Comp . Physiol. 11 309-313.

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