Estrutura da membrana plasmática

O modelo de mosaico fluido da membrana plasmática. Proteínas, lipídios e carboidratos da membrana.

Introdução

Cada célula do seu corpo é delimitada por uma bolha minúscula de membrana. Essa membrana tem a consistência semelhante ao... óleo de salada1^1. A primeira vez que li sobre esse fato, não achei muito tranquilizador! O óleo de salada parece ser uma barreira muito frágil para se colocar entre uma célula e o resto do mundo. Felizmente, a membrana plasmática se mostra muito adaptada para o seu trabalho, com a textura de óleo de salada e tudo mais.
Qual é exatamente a sua função? A membrana plasmática não define apenas as bordas da célula, mas também permite que a célula interaja com seu ambiente de forma controlada. As células devem ser capazes de excluir, absorver e excretar diferentes substâncias, cada uma em quantidades específicas. Além disso, devem ser capazes de se comunicar com outras células, identificando-se e compartilhando informações.
Para executar essas funções, a membrana plasmática precisa de lipídios, que formam uma barreira semipermeável entre a célula e seu ambiente. Ela também precisa de proteínas, que estão envolvidas no transporte através da membrana e na comunicação celular, e carboidratos (açúcares e cadeias de açúcar), que enfeitam as proteínas e os lipídios e ajudam as células a reconhecerem umas às outras.
Aqui, iremos observar os diferentes componentes da membrana plasmática, analisando seus papéis, sua diversidade, e como eles trabalham juntos para fazer uma barreira flexível, sensível e segura em torno da célula.

Modelo do mosaico fluido

O modelo da estrutura da membrana plasmática aceito atualmente, chamado de modelo mosaico fluido, foi proposto pela primeira vez em 1972. Este modelo tem evoluído ao longo do tempo, mas ainda fornece uma boa descrição básica da estrutura e comportamento das membranas em muitas células.
De acordo com o modelo de mosaico fluido, a membrana plasmática é um mosaico de componentes — principalmente de fosfolipídios, colesterol e proteínas — que se movem livremente e com fluidez no plano da membrana. Ou seja, um diagrama da membrana (como o do abaixo) é apenas um instantâneo de um processo dinâmico em que os fosfolipídios e as proteínas estão continuamente deslizando uns entre os outros.
Curiosamente, esta fluidez significa que se você inserir uma agulha muito fina em uma célula, a membrana irá simplesmente fluir ao redor da agulha; e, uma vez que a agulha é removida, a membrana irá se reconstituir sem qualquer problema.
Os principais componentes da membrana plasmática são os lipídios (fosfolipídios e colesterol), as proteínas e os grupos de carboidratos que estão anexados a alguns lipídios e proteínas.
  • Um fosfolipídio é um lipídio composto por glicerol, duas caudas de ácido graxo e uma cabeça com um grupo de cadeias de fosfato. Membranas biológicas normalmente envolvem duas camadas de fosfolipídios com suas caudas apontando para dentro, uma estrutura chamada de camada dupla de fosfolipídio.
  • O colesterol, outro lipídio composto por quatro anéis de carbono interligados, é encontrado ao lado dos fosfolipídios no núcleo da membrana.
  • As proteínas das membranas podem se estender parcialmente pela membrana plasmática, cruzar a membrana completamente, ou ficar livremente anexadas às superfícies de dentro ou de fora.
  • Grupos de carboidrato estão presentes apenas na superfície externa da membrana plasmática e estão anexados a proteínas, formando glicoproteínas, ou lipídios, formando glicolipídios.
As proporções de proteínas, lipídios e carboidratos na membrana plasmática variam entre tipos de células diferentes. Contudo, para uma célula humana normal, as proteínas são responsáveis por cerca de 50 por cento da composição da massa, os lipídios (de todos os tipos) são responsáveis por 40 por cento, e os 10 por cento restantes vêm dos carboidratos.

Fosfolipídios

Os fosfolipídios, dispostos em uma bicamada, compõem o tecido básico da membrana plasmática. Eles são bem adequados a esta função, porque eles são anfifílicos, ou seja, eles têm regiões hidrofílicas e hidrofóbicas.
A parte hidrofílica, ou com afinidade por água, de um fosfolipídeo é a sua cabeça, a qual possui um grupo fosfato carregado negativamente, além de um pequeno grupo adicional (de diferentes identidades, "R" no diagrama à esquerda), que também pode ser carregado ou polar. A cabeça hidrofílica dos fosfolipídios em uma membrana bicamada é voltada para parte externa, entrando em contato com o fluido aquoso dentro e fora da célula. Como a água é uma molécula polar, ela prontamente forma uma interação eletrostática (baseada em carga) com as cabeças dos fosfolípidos.
A parte hidrofóbica, ou "que tem medo de água", de um fosfolipídio consiste em suas cadeias longas e apolares de ácidos graxos. As cadeias de ácidos graxos podem facilmente interagir com outras moléculas apolares, mas não muito bem com a água. Por causa disso, é mais favorável energeticamente para os fosfolipídios colocarem suas cadeias de ácido graxo na parte interna da membrana, onde elas estão protegidas da água ao seu redor. A dupla camada de fosfolipídios formada por essas interações produz uma boa barreira entre o interior e o exterior da célula, porque água e outras substâncias carregadas ou polares não podem cruzar facilmente o núcleo hidrofóbico da membrana.
Graças a sua natureza anfifílica, os fosfolipídios não são apenas adequados para formar uma membrana de camada dupla. Na verdade, isso é algo que eles fazem espontaneamente sob as condições certas! Na água ou em soluções aquosas, os fosfolipídios tendem a se organizar com suas caudas hidrofóbicas voltadas umas para as outras e com suas cabeças hidrofílicas voltadas para fora. Se os fosfolipídios tiverem caudas pequenas, eles podem formar uma micela (uma pequena esfera de camada única), ao passo que se eles tiverem caudas grandes, eles podem formar um lipossoma (uma partícula oca com membrana de camada dupla)2^2 .

Proteínas

As proteínas são o segundo maior componente das membranas plasmáticas. Há duas categorias principais de proteínas da membrana: integrais e periféricas.
As proteínas integrais de membrana são, como seu nome sugere, integradas à membrana: elas têm pelo menos uma região hidrofóbica que as ancora no interior hidrofóbico da bicamada de fosfolípidos. Algumas estão apenas parcialmente ancoradas na membrana, enquanto outras estão inseridas de um lado a outro da membrana e estão expostas nos dois lados1^1. As proteínas que se estendem através das duas camadas da membrana são chamadas proteínas transmembrana.
As porções de uma proteína integral de membrana localizadas dentro da membrana são hidrofóbicas, enquanto aquelas que são expostas para o fluido extracelular ou para o citoplasma tendem a ser hidrofílicas. As proteínas transmembrana podem atravessar a membrana plasmática apenas uma vez ou podem ter até doze seções diferentes que atravessam a membrana. Um segmento típico que atravessa a membrana consiste de 20 a 25 aminoácidos hidrofóbicos dispostos em uma alfa-hélice, embora nem todas as proteínas transmembrana se encaixem neste modelo. Algumas proteínas integrais de membrana formam um canal que permite que íons ou outras pequenas moléculas passem através da membrana, como mostrado abaixo.
Proteínas periféricas de membrana são encontradas no exterior e no interior das superfícies das membranas, conjugadas tanto às proteínas integrais quanto aos fosfolipídeos. Ao contrário das proteínas integrais de membrana, proteínas periféricas de membrana não aderem ao interior hidrofóbico da membrana, e tendem a ser mais frouxamente ligadas.

Carboidratos

Os carboidratos são o terceiro maior componente da membrana plasmática. Em geral, eles são encontrados na superfície externa das células e estão associados às proteínas (formando as glicoproteínas) ou aos lipídios (formando os glicolipídeos). Estas cadeias de carboidratos podem consistir em 2-60 unidades de monossacarídeo e podem ser simples ou ramificadas.
Juntamente às proteínas de membrana, esses carboidratos formam marcadores celulares distintos, um tipo de identidade molecular que permite que as células reconheçam umas as outras. Esses marcadores são muito importantes para o sistema imune, permitindo que células imunitárias diferenciem entre as células do organismo, as quais não devem ser atacadas, e células ou tecidos estranhos, os quais devem ser atacados.

Fluidez da membrana

A estrutura das caudas de ácidos graxos dos fosfolipídios é fundamental na determinação das propriedades da membrana, e em particular, em quão fluida ela é.
Ácidos graxos saturados não têm ligações duplas (são saturadas de hidrogênios), portanto são relativamente retas. Por outro lado, ácidos graxos insaturados contêm uma mais ligações duplas, resultando frequentemente em uma curva ou dobra. (Você pode ver um exemplo de uma cauda insaturada dobrada no diagrama da estrutura do fosfolipídeo que aparece anteriormente neste artigo.) As caudas de ácido graxo saturadas e insaturadas se comportam diferentemente de acordo com a temperatura:
  • Em temperaturas mais baixas, as caudas retas dos ácidos graxos podem se espremer, criando uma membrana densa e bastante rígida.
  • Fosfolipídeos com caudas insaturadas não podem se unir tão firmemente em razão as estruturas encurvadas de suas caudas. Por isso, uma membranas contendo fosfolipídeos insaturados vai ficar fluida em temperaturas mais baixas do que uma membrana composta de fosfolipídeos saturados .
A maior parte das membranas celulares contém uma mistura de fosfolipídeos, alguns com duas caudas saturadas (retas) e outros com uma cauda saturada e outra insaturada (dobrada). Muitos organismos—peixes são um exemplo— podem se ajustar fisiologicamente a ambientes frios, alterando a proporção de ácidos graxos insaturados em suas membranas. Para mais informações sobre ácidos graxos saturados e insaturados, veja o artigo sobre lipídios.
Além dos fosfolipídios, os animais têm um componente adicional da membrana que ajuda a manter a fluidez. O colesterol , outro tipo de lipídio que está incorporado entre os fosfolipídios da membrana, ajuda a minimizar os efeitos da temperatura na fluidez.
Em temperaturas baixas, o colesterol aumenta sua fluidez evitando que os fosfolipídios fiquem firmemente juntos , enquanto em altas temperaturas, ele reduz a fluidez3,4^{3,4}. Desta forma, o colesterol aumenta a amplitude da temperaturas em que uma membrana mantém uma fluidez funcional e saudável.

Os componentes da membrana plasmática

ComponenteLocalização
FosfolipídiosTecido principal da membrana
ColesterolLocalizado entre as caudas hidrofóbicas da membrana
Proteínas integraisInseridas na dupla camada de fosfolipídio; podem ou não se estender a ambas as camadas
Proteínas periféricasNa superfície interna ou externa da dupla camada de fosfolipídio, mas não incorporadas a seu núcleo hidrofóbico
CarboidratosAnexados a proteínas e lipídios no lado extracelular da membrana (formando glicoproteínas e glicolipídios)
Tabela adaptada de OpenStax Biology.
Carregando