Funções e estrutura geral das membranas biológicas
As membranas biológicas desempenham várias tarefas fundamentais: separam o conteúdo celular do meio externo, regulam o transporte de substâncias, formam contatos intercelulares e garantem a percepção de sinais externos. A base estrutural da membrana é a bicamada lipídica dupla, formada por moléculas anfifílicas. Os lipídios e as proteínas da membrana são mantidos unidos por ligações não covalentes (fracas), o que garante a fluidez e a plasticidade da estrutura.
A anfifilicidade dos fosfolipídios é determinada pela presença de uma cabeça polar (hidrofílica) e duas caudas apolares (hidrofóbicas). As caudas estão voltadas uma para a outra no interior da bicamada, enquanto as cabeças ficam voltadas para o exterior e para o citoplasma.
Composição lipídica das membranas
As principais classes de lipídios da membrana são: fosfolipídios, glicolipídios e colesterol.
- O colesterol regula a rigidez e a fluidez da membrana: sua deficiência torna a membrana muito fluida, enquanto seu excesso a torna muito rígida.
- Os fosfolipídios são compostos por um resíduo de glicerol, dois resíduos de ácidos graxos, um grupo fosfato e um grupo polar. Com base na natureza do grupo polar, distinguem-se a fosfatidilserina, a fosfatidiletanolamina, a fosfatidilcolina e o fosfatidilinositol. As cardiolipinas fazem parte das membranas mitocondriais.
- Os esfingolipídios são derivados da esfingosina. Eles incluem ceramidas (esfingosina + ácido graxo), cerebrosídeos (ceramida + monossacarídio, mais frequentemente galactose) e esfingomielinas (esfingosina, ácido graxo, fosfato, colina). Os cerebrosídeos e as esfingomielinas são característicos das membranas do tecido nervoso.
Na hidrólise completa de um fosfolipídio, as ligações éster são rompidas: por exemplo, a esfingomielina produz esfingosina, ácido graxo, ácido fosfórico e colina; a fosfatidilcolina produz glicerol, dois ácidos graxos, fosfato e colina.
Proteínas de membrana e transporte de substâncias
As proteínas são divididas em integrais (transmembrana), que atravessam a bicamada, e periféricas, voltadas para o citoplasma ou para o meio extracelular. As proteínas de membrana são frequentemente glicosiladas e fosforiladas, o que as protege contra proteases. Elas atuam como receptores, enzimas e transportadores, participam de reações imunológicas e formam contatos intercelulares.
O transporte através da membrana pode ser passivo e ativo:
- A difusão simples ocorre para substâncias lipofílicas (hormônios esteroides), que passam livremente através da bicamada a favor do gradiente de concentração.
- A difusão facilitada ocorre para substâncias hidrofílicas através de uma proteína transportadora, também a favor do gradiente.
- O transporte ativo primário ocorre contra o gradiente de concentração com gasto direto de ATP (por exemplo, a Na⁺/K⁺-ATPase).
- O transporte ativo secundário (simporte ou antiporte) utiliza o gradiente de Na⁺ criado pela ATPase (por exemplo, a captação de glicose juntamente com o sódio).
Sistemas da adenilato ciclase e do inositol fosfato
Moléculas sinalizadoras (mensageiros primários): hormônios, neurotransmissores, fatores de crescimento, eicosanoides. Os receptores são divididos em membranares (ionotrópicos e metabotrópicos) e intracelulares. Os metabotrópicos incluem receptores acoplados à proteína G e receptores catalíticos.
No sistema da adenilato ciclase (glucagon, adrenalina via receptores β-adrenérgicos), o hormônio altera a conformação do receptor, o que é transmitido para a subunidade α da proteína G. O GDP é substituído por GTP, e a subunidade α ativa a adenilato ciclase, que converte ATP em AMPc. O AMPc ativa a proteína quinase A, dissociando suas subunidades reguladoras; as subunidades catalíticas fosforilam enzimas reguladoras. As enzimas de degradação no estado fosforilado encontram-se ativas, enquanto as enzimas de síntese estão inativas. O AMPc é degradado pela fosfodiesterase. A toxina colérica bloqueia a desfosforilação do GTP pela subunidade α, causando ativação constante da adenilato ciclase e acúmulo de AMPc. Através da proteína Gi, a subunidade α, pelo contrário, inibe a enzima.
Na sistema do inositol fosfato (ADH, adrenalina via receptores α₁), a fosfolipase C é ativada, clivando o fosfatidilinositol-4,5-bifosfato em inositol-3-fosfato (IP₃) e diacilglicerol (DAG). O IP₃ liga-se aos receptores de rianodina do RE, liberando Ca²⁺. Os íons de cálcio, juntamente com o DAG, ativam a proteína quinase C e ligam-se à calmodulina, desencadeando a resposta celular.
Receptores catalíticos e intracelulares
O receptor de insulina é uma tirosina proteína quinase composta por duas subunidades α e duas β. Após a ligação da insulina, as subunidades β sofrem autofosforilação em resíduos de tirosina e fosforilam a proteína IRS (Insulin Receptor Substrate). A IRS ativa a fosfoproteína fosfatase, a fosfodiesterase e fatores de transcrição, além de promover a inserção de GLUT-4 na membrana de adipócitos e miócitos. O resultado da ação da insulina é a desfosforilação das enzimas reguladoras: as enzimas de síntese são ativadas e as enzimas de degradação são inativadas.
O receptor de guanilato ciclase (fator natriurético atrial, guanilina) sintetiza diretamente cGMP a partir de GTP. O cGMP ativa a proteína quinase G ao ligar-se às suas subunidades sem dissociação; a proteína quinase G fosforila enzimas reguladoras.
Os receptores intracelulares são citoplasmáticos (para hormônios esteroides) e nucleares (para iodotironinas T₃, T₄). Os hormônios hidrofóbicos atravessam a membrana por difusão e formam o complexo hormônio-receptor, que se liga ao DNA e regula a transcrição. Esse mecanismo é denominado indução da síntese enzimática e altera a quantidade, e não a atividade, das proteínas.
Pontos-chave
- Membrana: bicamada lipídica de fosfolipídios anfifílicos com inclusão de colesterol e proteínas.
- O colesterol mantém a fluidez ideal da membrana.
- O transporte de substâncias divide-se em passivo (difusão simples e facilitada) e ativo (primário e secundário).
- O sistema da adenilato ciclase (glucagon, adrenalina) aumenta o AMPc e ativa a proteína quinase A, fosforilando enzimas.
- O sistema do inositol fosfato, através de IP₃ e DAG, aumenta o nível de Ca²⁺ e ativa a proteína quinase C.
- A toxina colérica bloqueia a atividade GTPásica da subunidade αs, causando ativação persistente da adenilato ciclase.
- O receptor de insulina é uma tirosina quinase; o resultado de sua ação é a desfosforilação de enzimas reguladoras.
- Os hormônios esteroides e as iodotironinas agem através de receptores intracelulares, regulando a transcrição gênica.