Membrana Plasmática
Visão Geral
A membrana plasmática é uma estrutura complexa que participa de inúmeras atividades essenciais à sobrevivência da célula. Sua função primária é separar o meio extracelular do intracelular. Por formar uma barreira física entre o ambiente externo e o compartimento citoplasmático, oferece proteção contra danos, dificultando o acesso de substâncias prejudiciais e facilitando a eliminação de resíduos internos. Ao mesmo tempo, seleciona e transporta moléculas pertinentes para o interior da célula ou da célula para o meio, permitindo que a homeostase seja mantida.
A membrana plasmática também atua nos mecanismos de adesão celular e na capacidade da célula de absorver e reabsorver substâncias.
A comunicação e o reconhecimento celulares também ficam à cargo da membrana plasmática. Células contíguas podem trocar íons, aminoácidos e outras pequenas moléculas através de canais compartilhados por suas membranas. Além disso, é comum encontrar proteínas de membrana que atuam como receptores, transmitindo sinais do meio externo para o meio interno, e vice-versa, desencadeando respostas celulares com diferentes níveis de complexidade, como crescimento, proliferação, secreção, movimento, dentre outros.
Algumas organelas citoplasmáticas, tais como retículo endoplasmático, complexo de Golgi, endossomos, lisossomos, mitocôndrias e núcleo, apresentam revestimentos quimicamente e estruturalmente semelhantes à membrana plasmática. Juntas essas organelas formam o sistema de endomembranas.
Composição Bioquímica
A constituição da membrana plasmática é referida com sendo a de um mosaico fluido. Este modelo foi proposto pelos cientistas Singer e Nicolson, em 1972, e ao longo do tempo foi sendo comprovado experimentalmente até se chegar ao modelo atual de estrutura das membranas biológicas. Este modelo sugere que a membrana é composta por lipídeos anfipáticos, dentro os quais os mais comuns são os fosfolipídios, organizados em uma bicamada em que estão imersas proteínas.
O modelo propõe ainda a presença de moléculas de colesterol na bicamada lipídica, cuja função é regular a fluidez da membrana, tornando-a mais estável em condições extremas de temperatura. A consistência da membrana é, portanto, dinâmica e fluida, permitindo que as proteínas e lipídios se movam na bicamada.
Por fim, carboidratos ligados tanto às proteínas (glicoproteínas) quanto aos lipídios (glicolipídios) da face externa da membrana formam uma camada de espessura variável denominada glicocálix.
Lipídios
Os lipídios da membrana plasmática são compostos por uma cabeça hidrofílica e caudas hidrofóbicas, conferindo à membrana um caráter anfipático. Dentre os lipídios mais comuns estão os fosfoglicerídios (fosfatidilcolina, fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e fosfatidiltreonina), os esfingolipídios e o colesterol. Devido à presença de radicais fosfato tanto nos fosfoglicerídios quanto nos esfingolipídios, conjuntamente estas moléculas são chamadas de fosfolipídios e compreendem os lipídios mais abundantes da membrana. Quando associados a carboidratos (glicose, manose, fucose e galactose), com ou sem radicais fosfato, os lipídios são referidos como glicolipídios e, juntamente com glicoproteínas, constituem o glicocálix.
Tendo em vista que os meios extracelular e intracelular são aquosos, as caudas hidrofóbicas dos fosfolipídios são fortemente repelidas, de forma que as cabeças hidrofílicas ficam expostas ao meio extracelular e ao citoplasma, enquanto as caudas hidrofóbicas se voltam para o interior da membrana.
Ao microscópio eletrônico, a membrana plasmática mostra-se como uma estrutura trilaminar, ou seja, possui três camadas, referidas como monocamadas: a primeira corresponde às cabeças hidrofílicas dos fosfolipídios voltadas para o meio extracelular; a segunda, corresponde às caudas hidrofóbicas dos fosfolipídios, orientadas em direção ao centro da bicamada; a terceira, corresponde às cabeças hidrofílicas dos fosfolipídios voltadas para o citoplasma.
Proteínas
As proteínas da membrana plasmática são classificadas de acordo com sua função ou de acordo com a forma como interagem com a membrana.
Apesar de muitas proteínas membranares terem funções múltiplas, elas são agrupadas funcionalmente como se segue:
1. Proteínas transportadoras: permitem que moléculas específicas atravessem a membrana e subdividem-se em proteínas carreadoras e de canal. As proteínas carreadoras se ligam às moléculas a serem transportadas, translocando-as por meio de mudanças conformacionais. Proteínas de canal possuem um arranjo específico de seus aminoácidos, os quais formam um canal ou poro hidrofílico que atravessa a bicamada lipídica da membrana plasmática. Estas proteínas podem conter regiões chamadas de “comportas”, responsivas a diferentes estímulos, como mudanças de voltagem elétrica ou a ligação de moléculas específicas, permitindo a abertura ou o fechamento do canal.
2. Proteínas receptoras: reconhecem e se ligam a moléculas específicas na superfície da célula, como hormônios, neurotransmissores e outros, que são denominados ligantes. A interação do ligante com a proteína receptora desencadeia respostas celulares, como a ativação de vias de sinalização, que levam a crescimento, movimentação, proliferação e até de morte celular, dentre outros.
3. Proteínas de ancoragem: ligam-se a moléculas extracelulares, como proteínas da matriz extracelular, ou a moléculas intracelulares, como proteínas do citoesqueleto. Ajudam a manter a integridade estrutural da célula, além de serem importantes para a adesão de células à outras células ou à membrana basal.
4. Proteínas enzimáticas: catalisam reações bioquímicas na membrana e no interior da célula. Proteínas receptoras cujos sítios de catalização se encontram no citoplasma frequentemente atuam como enzimas, sendo que nesses casos, a interação receptor-ligante ativa o sítio catalítico da proteína e desencadeia eventos intracelulares variados.
5. Proteínas estruturais: contribuem para manter a fluidez e a organização da membrana. Ainda, atuam na constituição dos microdomínios membranares.
O outro critério de classificação das proteínas leva em consideração a forma como estão inseridas na bicamada lipídica, que podem ser:
1. Proteínas periféricas: localizadas tanto na face externa quanto na face interna da membrana, mas que não atravessam a bicamada lipídica. Aderem-se à membrana por meio de ligações covalentes com seus constituintes proteicos, lipídicos (fosfolipídios ou glicosilfosfatidilinositol) ou oligossacarídicos.
2. Proteínas integrais ou transmembranares: atravessam completamente a bicamada lipídica. Geralmente possuem regiões hidrofílicas que ficam expostas ao meio extracelular ou intracelular, e regiões hidrofóbicas que ficam embutidas na bicamada lipídica. Podem ser classificadas em dois tipos principais com base no número de vezes que atravessam a bicamada lipídica:
Proteínas integrais de passagem única: possuem um segmento polipeptídico hidrofóbico, que atravessa a bicamada lipídica uma única vez, e segmentos hidrofílicos, que ficam expostos em ambas as faces da membrana.
Proteínas integrais de múltiplas passagens: possuem vários segmentos polipeptídicos hidrofóbicos, que atravessam a bicamada lipídica várias vezes, e segmentos hidrofílicos que ficam expostos em ambas as faces da membrana.
Carboidratos
A face externa da membrana plasmática é enriquecida por carboidratos que se ligam covalentemente às proteínas e aos lipídios, formando glicoproteínas e glicolipídios, respectivamente. Em conjunto, glicoproteínas e glicolipídios constituem o glicocálix, estrutura que varia de espessura e composição de acordo com o tipo celular e com a região da membrana em que se encontra.
Uma das principais funções do glicocálix é promover o reconhecimento intercelular, favorecendo a adesividade ou ainda inibindo o contato. Além disso, fornece proteção contra agressões físicas.
Fluidez da Membrana
Tendo em vista a heterogeneidade na distribuição dos constituintes da membrana, bem como a diversidade de interações que eles podem estabelecer, a membrana é susceptível a mudanças em sua fluidez. Os principais fatores que afetam a fluidez da membrana são a estrutura e os movimentos executados pelos fosfolipídios, variações de temperatura e a distribuição de colesterol e de proteínas.
Proteínas
A temperatura pode afetar significativamente a estrutura e a função da membrana plasmática. À medida que a temperatura aumenta, a energia cinética das moléculas aumenta, afetando a permeabilidade da membrana e a atividade das proteínas associadas. Em temperaturas mais altas, mecanismos dinâmicos aumentam a proporção de fosfolipídios com caudas longas e saturadas, tornando a bicamada mais fluida. Em baixas temperaturas a bicamada lipídica se torna mais rígida e organizada, o que dificulta a movimentação de moléculas através da membrana. Nestas condições, estrategicamente, a proporção de fosfolipídios com caudas curtas e insaturadas é aumentada, tornando a membrana mais fluida e evitando que ela se rompa.
Em geral, a membrana plasmática é capaz de manter sua estrutura e função estáveis dentro de uma faixa de temperatura fisiologicamente relevante. No entanto, em temperaturas extremas, pode sofrer danos irreversíveis, inclusive em seu conteúdo proteico, o que pode levar à disfunção e morte celular.
Distribuição de Colesterol
O colesterol é um componente abundante na membrana plasmática e é capaz de alterar a permeabilidade da bicamada lipídica. Esta molécula interage com as cabeças polares dos fosfolipídios, enrijecendo as cadeias de hidrocarbonetos mais próximas e tornando a bicamada lipídica menos deformável nessas regiões. Como resultado, a permeabilidade da membrana a moléculas solúveis em água diminui.
Há evidências de que as moléculas lipídicas, inclusive o colesterol, segregam-se em regiões específicas da membrana, denominadas balsas lipídicas ou “lipid rafts”. Esses microdomínios são regiões altamente organizadas e heterogêneas da membrana, formadas por uma concentração elevada de colesterol e esfingolipídios. Estes últimos possuem caudas hidrofóbicas semelhantes às dos fosfolipídios, mas têm uma cabeça hidrofílica diferente. Tal composição lipídica exclusiva permite que as balsas lipídicas sejam mais resistentes à solubilização em detergentes que outras partes da bicamada. Além disso, proteínas membranares podem se acumular nas balsas e desempenhar funções especializadas, como sinalização celular, transporte de membrana e reconhecimento celular.
Distribuição de Proteínas
A inserção de proteínas na bicamada lipídica altera a organização espacial dos fosfolipídios, deslocando-os ou mudando a distribuição das moléculas adjacentes. Logo, a movimentação lateral dos fosfolipídios é influenciada pela presença de proteínas em diferentes posições. Além disso, proteínas transmembranares (proteínas que atravessam a bicamada lipídica) podem formar poros ou canais na membrana, afetando sua permeabilidade e a movimentação de moléculas.
Assim como nos lipídios, é possível observar movimentos rotacionais e de difusão lateral sendo executados pelas proteínas da membrana.
A Figura 1 traz representações das principais moléculas que constituem a membrana plasmática, assim como sua organização estrutural.
Audiodescrição
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Transcrição da Audiodescrição
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[AUDIODESCRIÇÃO: representação tridimensional colorida de membrana plasmática, mostrando as principais moléculas constituintes.
Para facilitar a compreensão, e considerando a posição inicial em que o modelo tridimensional é carregado, a face superior da membrana plasmática é a que está voltada para o meio extracelular, enquanto a face inferior é a que está em contato com o citoplasma. Tanto a apresentação quanto a descrição das moléculas presentes no modelo são feitas da esquerda para direita. Inicialmente são descritas as estruturas em primeiro plano, para apenas depois serem descritas as estruturas em planos mais ao fundo.
A membrana plasmática é conhecida como um mosaico fluido, parecido com uma colcha de retalhos, tendo em vista a diversidade da distribuição de moléculas em suas faces externa e interna. A membrana plasmática compreende uma bicamada lipídica, sendo composta por duas fileiras horizontais de fosfolipídios, em que cada molécula de fosfolipídio apresenta uma cabeça esférica e duas caudas curtas e filamentosas. Enquanto as cabeças dos fosfolipídios estão voltadas, respectivamente, para o meio extracelular e para o meio intracelular, as caudas dos fosfolipídios estão voltadas para o interior da membrana.
Distribuídas entre as fileiras horizontais de fosfolipídios da bicamada e projetando-se por ambas as faces da membrana encontram-se várias moléculas. Em uma membrana plasmática real estas moléculas não possuem posição fixa, podendo variar de localização. Neste modelo tridimensional, em primeiro plano e mais à esquerda está uma proteína integral transmembrana de formato alongado atravessando ambas as fileiras horizontais de fosfolipídios. Esta proteína possui uma perfuração vertical central que representa um canal. Ao lado desta encontra-se uma molécula de colesterol, constituída por estruturas esféricas alinhadas formando um curto filamento. Segue-se uma proteína periférica de formato piramidal que faz contato com as cabeças dos fosfolipídios na face inferior da membrana. Do lado direito desta proteína piramidal está uma proteína globular alongada que atravessa ambas as fileiras horizontais de fosfolipídios, caracterizando uma proteína integral transmembrana, sem canal, e uma segunda molécula de colesterol.
Na face externa da membrana plasmática, um pouco mais atrás, encontram-se projeções de três proteínas de formato globular. As proteínas mais à esquerda e à direita são glicoproteínas. Elas apresentam em sua face externa cadeias de carboidratos, os quais estão representados por estruturas hexaédricas alinhadas e conectadas entre si por filamentos curtos, formando uma cadeia glicídica. A proteína globular central não apresenta carboidratos aderidos à sua face externa. Ladeando a glicoproteína mais à direita, estão duas cadeias de carboidratos, ligadas diretamente à cabeça de fosfolipídios, caracterizando assim glicolipídios. Em conjunto, glicoproteínas e glicolipídios constituem o glicocálix. Finalmente, ao fundo, da esquerda para a direita, encontra-se uma proteína transmembrana de formato espiral, cujas extremidades formam projeções de tamanhos diferentes, sendo a maior a que está voltada para o meio extracelular. Em seguida, uma proteína periférica alongada disposta horizontalmente entre as cabeças dos fosfolipídios da face citoplasmática da membrana. Do lado direito está uma outra molécula de colesterol e uma proteína transmembrana globular disposta perpendicularmente à bicamada.
FIM DA AUDIODESCRIÇÃO.]
Alteração de Cores do Modelo Tridimensional
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Figura 1: Representação tridimensional da membrana plasmática e suas principais estruturas constituintes.