7.2 Estrutura das membranas biológicas

Experiências com lipossomos demonstram que a bicamada lipídica permite a livre difusão de moléculas apolares, mas é essencialmente impermeável a compostos iônicos ou polares, insolúveis no centro

hidrofóbico da bicamada (Seção 7.4.1).

A bicamada lipídica isola o conteúdo do lipossomo do líquido externo. Apesar disto, os mais diversos compostos, desde que estejam presentes no meio utilizado para a formação das vesículas, podem ser englobados no seu compartimento interno. Graças a esta propriedade, os lipossomos constituem uma via importante para a administração de medicamentos. Estas substâncias são encapsuladas em lipossomos, que são transportados pela circulação até os tecidos; por fusão das vesículas com a membrana plasmática, os fármacos são introduzidos diretamente nas células. O preparo de lipossomos específicos para o tecido-alvo pretendido permite evitar a atuação inespecífica de agentes farmacológicos, reduzindo a ocorrência de efeitos colaterais indesejáveis.

A consistência da bicamada lipídica depende da temperatura e de sua

composição

As bicamadas lipídicas sofrem mudança de estado físico em uma temperatura característica, chamada temperatura de transição, análoga ao ponto de fusão dos ácidos graxos. Essa mudança de fase é devida à alteração do grau de interação das cadeias de hidrocarboneto constituintes da bicamada. Abaixo da temperatura de transição, as cadeias são mais ordenadas e interagem fortemente, e a bicamada tem uma consistência sólida; acima dessa temperatura, elas são mais desordenadas e menos compactadas, o que determina um estado líquido.

A temperatura de transição de bicamadas é grandemente influenciada pela natureza dos lipídios anfipáticos que a compõem: é tanto maior quanto maior for o teor de ácidos graxos com cadeias saturadas e longas, o inverso acontecendo em relação a ácidos graxos com cadeias insaturadas e curtas

(Seção 6.2.1).

7.2 Estrutura das membranas biológicas

As membranas biológicas são formadas por uma bicamada lipídica

entremeada de proteínas

A bicamada lipídica é a estrutura básica comum a todas as membranas biológicas e, como nos lipossomos, serve como uma barreira impermeável à maioria dos íons e moléculas hidrossolúveis. Nas células, está associada a proteínas, que viabilizam o transporte de determinados solutos, ou seja, as membranas são permeáveis a compostos para os quais dispõem de proteínas que atuem como seus transportadores. As proteínas desempenham inúmeras outras funções características de cada membrana.

A proporção proteína: lipídio das membranas pode variar de 4:1 (membrana interna de mitocôndrias e membrana plasmática de bactérias) a 1:4 (bainha de mielina), mas, em muitos casos, ela é próxima de 1:1. O conteúdo de lipídios das membranas de mamíferos depende do estado nutricional e da idade do animal; nos seres humanos, a composição dos lipídios anfipáticos das membranas de muitos tecidos pode ser alterada pela dieta. Nas plantas, bactérias e animais ectotérmicos, varia com as condições do meio ambiente: luz, temperatura, pH, salinidade etc.

Glicolipídios e glicoproteínas respondem pelo teor de carboidratos das membranas, que é, geralmente, baixo.

Resumindo, enquanto os lipídios presentes nas membranas biológicas são responsáveis por sua estrutura e fluidez, as proteínas são responsáveis pelas funções específicas associadas a cada tipo de membrana. Sua proporção em relação aos lipídios varia, sendo excepcionalmente grande em membranas com alto conteúdo de enzimas e permeases, como a membrana interna da mitocôndria.

Os fosfolipídios são os componentes mais abundantes das membranas

A bicamada das membranas dos seres vivos é composta por uma mistura complexa e heterogênea de lipídios anfipáticos. Todavia, a

comparação entre diferentes membranas (Tabela 7.1) permite algumas generalizações.

Nos organismos superiores, as membranas celulares são construídas, basicamente, com fosfolipídios (glicerofosfolipídios e esfingomielinas). Os glicerofosfolipídios estão presentes em quantidades muito maiores que as esfingomielinas, sendo fosfatidilcolina, o lipídio mais abundante (exceto na membrana plasmática). Além dos fosfolipídios, o colesterol é um componente importante das membranas eucarióticas; nas membranas plasmáticas é o lipídio presente na maior concentração, sendo encontrado em pequenas quantidades nas membranas intracelulares. As membranas mitocondriais, especialmente a interna, distinguem-se das demais e assemelham-se à membrana plasmática das bactérias, por apresentarem difosfatidilglicerol (cardiolipina). A bainha de mielina, que deu o nome às esfingomielinas, é, na realidade, muito rica em glicolipídios e colesterol. Os glicolipídios também ocorrem na face externa das membranas plasmáticas.

Tabela 7.1 Composição em lipídios de membranas celulares.

Porcentagem dos lipídios totais (%)

Fosfolipídios

Membrana F FC FE FS FI FG DFG EM GL C

Plasmática1 1,0 18 15 9,0 4,0 — — 16 7 30

Mitocondrial interna1 0,7 45 25 1,0 6,0 2,0 18 2,5 — 3,0

Mitocondrial externa1 1,3 50 23 2,0 13 2,5 3,5 5,0 — 5,0

Nuclear 1 1,0 55 20 3,0 7,0 — — 3,0 — 10

Golgi1 — 40 15 3,5 6,0 — — 10 — 7,5

Bainha de mielina 2 — 11 17 8,0 — — — 7,0 26 26

Escherichia coli3 — — 80 — — 15 5,0 — — —

Bacillus megaterium3 — — 69 — — 30 1,0 — — —

F = fosfatidato; FC = fosfatidilcolina; FE = fosfatidiletanolamina; FS = fosfatidilserina; FI = fosfatidilinositol; FG = fosfatidilglicerol; DFG = difosfatidilglicerol (cardiolipina); EM =

esfingomielina; GL = glicolipídios (cerebrosídios e gangliosídios); C = colesterol. 1Membranas de

hepatócitos de rato. 2 3 Cérebro de rato. Membrana plasmática.

As membranas plasmáticas de bactérias caracterizam-se pela presença de poucos tipos de glicerofosfolipídios, predominando fosfatidiletanolamina e proporções menores de fosfatidilglicerol e cardiolipina; colesterol e esfingolipídios (esfingomielinas e glicolipídios) são virtualmente ausentes.

As membranas biológicas são uidas

A consistência das membranas celulares, como acontece com as bicamadas lipídicas sintéticas, varia com o grau de insaturação e o comprimento das cadeias carbônicas dos seus lipídios estruturais e, também, com a temperatura. Seres vivos cuja temperatura flutua com a do meio ambiente — plantas, bactérias e animais ectotérmicos — modificam a composição em ácidos graxos de suas membranas em resposta a alterações da temperatura ambiente, de modo que a sua fluidez seja sempre constante. A temperatura corpórea dos animais endotérmicos é sempre maior que a temperatura de transição de suas membranas: as membranas dos mamíferos são líquidas a 37°C. Em resumo, as membranas dos seres vivos são fluidas, com consistência semelhante à da parafina líquida.

O colesterol, nas células de mamíferos, constitui um fator adicional importante de regulação das propriedades físico-químicas das membranas. Suas moléculas intercalam-se na bicamada lipídica, a hidroxila interagindo com os grupos polares dos fosfolipídios e os anéis esteroídicos com as cadeias carbônicas. Os anéis hidrofóbicos, de estrutura plana e rígida, orientam-se paralelamente aos fosfolipídios e induzem o alinhamento e a redução da movimentação das cadeias carbônicas dos fosfolipídios; o resultado é o aumento da rigidez e da espessura da membrana. Todavia, como a molécula de colesterol não alcança o centro da bicamada — o anel tetracíclico associa-se, em média, com os primeiros 10 carbonos das cadeias de hidrocarboneto dos fosfolipídios — é a porção periférica da membrana que se torna mais densa. A intensidade de tais efeitos depende ainda da estrutura dos fosfolipídios: a interação do colesterol com as cadeias saturadas é maior do que com as insaturadas. Essas alterações são relativas e o estado fluido, característico das membranas biológicas, permanece.

Diversas condições patológicas são relacionadas com alterações da consistência de membranas. No alcoolismo crônico, há um aumento significativo do teor de colesterol da membrana plasmática das hemácias, o que reduz a fluidez da membrana. Estas células são menos resistentes à hemólise e adquirem uma forma anormal, o que ocasiona a sua destruição pelo baço prematuramente, resultando em um estado anêmico. O álcool e determinados agentes farmacológicos, como os anestésicos, também atuam diretamente nas membranas do sistema nervoso central, alterando o seu estado físico.

O colesterol participa da formação de lipid rafts e cavéolas

A consistência fluida das membranas biológicas não existe em toda a sua extensão. Na década de 1990, verificou-se a existência de domínios na membrana plasmática, formados por interação entre moléculas de colesterol (abundante nessa membrana) e de esfingomielinas (contêm cadeias acila saturadas, que se associam fortemente com o anel esteroídico), além de determinadas proteínas integradas. Esses domínios destacam-se por sua estrutura mais rígida e compacta que o restante da membrana e foram chamados de rafts (plataformas). Cavéolas são um tipo especial de rafts, formadas por depressões da membrana plasmática revestidas internamente pela proteína caveolina; as cavéolas medeiam o transporte por endocitose

(Seção 7.4.2). A função de rafts e cavéolas seria tornar mais eficientes os

sistemas de transporte e de transdução de sinal (Seção 19.3) das membranas biológicas.

As duas monocamadas contêm lipídios diferentes

A estrutura líquida das membranas naturais permite que as moléculas de lipídios possam mover-se lateralmente, dentro da monocamada da qual fazem parte. Esta difusão é tão rápida que uma molécula de lipídio poderia dar a volta ao redor de uma bactéria (perímetro de 1 a 2 µm) em cerca de 1 segundo. Por outro lado, a migração espontânea de lipídios de uma monocamada para a outra é extremamente rara, porque exige que a porção polar da molécula deixe de interagir favoravelmente com a água e atravesse o centro hidrofóbico da bicamada, um processo muito endergônico. O resultado desta impossibilidade é uma distribuição assimétrica de lipídios: as duas monocamadas são constituídas por lipídios diferentes. As membranas plasmáticas de células animais são especialmente assimétricas: fosfatidilcolina e esfingomielina são encontradas predominantemente na monocamada externa e fosfatidilserina e fosfatidiletanolamina, na monocamada interna; os glicolipídios localizam-se apenas na monocamada externa.