Biofísica para ciências biomédicas – 4ª edição

1- INTRODUÇÃO

Alan Arrieira Azambuja

Jarbas Rodrigues de Oliveira

Laerson Hoff

Sistemas de Medidas

Medida pode ser definida como a descrição de algo em termos de valores numéricos. É a determinação de magnitude de alguma propriedade. Propriedades são as características e atributos de algo. Quando podem ser medidas, são ditas quantitativas; e, quando isso não for possível, são denominadas de qualitativas.

O sistema métrico foi especificamente formulado para ser utilizado com notação decimal. Esse sistema consiste de uma unidade primária para cada propriedade quantitativa e um conjunto de prefixos. Cada prefixo indica um fator pelo qual a unidade primária deve ser multiplicada para produzir maiores ou menores unidades de uma propriedade. O fator de um prefixo geralmente é exponencial usando como base o número 10. Por exemplo, 1 kg é igual a 10³ gramas (1.000 g), 1 mL é igual a 10-3 litros (1/1.000 L) e 1mL é igual a 10-6 litros (1/1.000.000 L). Cada prefixo recebe uma nomenclatura específica, como micro, pico e nano. A Tabela 1.1 demonstra os diferentes prefixos com suas denominações e fatores correspondentes.

Tabela 1.1 Prefixos e seus fatores.

O Sistema Internacional (SI) estabelecido em 1960 pela Conference Generale des Poids et Measures uniformizou mundialmente o sistema de medida. O sistema internacional foi desenvolvido para o uso em física, mas também foi recomendado para laboratórios clínicos. A Tabela 1.2 demonstra as principais propriedades do SI.

Tabela 1.2 Propriedades do SI.

Diluições

As diluições são métodos laboratoriais nos quais uma quantidade de uma substância (o solvente) é adicionada a outra (o soluto) para reduzir a concentração do soluto. O uso da palavra diluição pode ser muitas vezes confuso, mas entende-se no sentido de que uma parte de um material seja diluída num número total de partes da solução final. A diluição é uma expressão de concentração, e não de volume. Indica a quantidade relativa de substâncias em uma solução.

As variações da terminologia podem ser variadas, e uma mesma instrução de laboratório pode ser expressa das seguintes formas: diluir 1 em 10 ou diluição de 1 para 10 ou diluir 1/10. Todas devem significar a mesma coisa, ou seja, o volume de concentrado (soluto) no volume total da solução final. Na frase de instruções de preparo de diluições, o menor número corresponde ao número de partes da substância que está sendo diluída; o maior número refere-se ao número total de partes da solução final.

Considere a seguinte questão: faça uma diluição um para dez (1/10 ou 1:10) de plasma humano em soro fisiológico. Para fazer dez mililitros da solução diluída, utilizamos um mililitro de plasma e adicionamos nove mililitros de soro fisiológico. Assim, a concentração de plasma é reduzida à décima parte na solução. O objetivo dessa diluição, assim, é tornar aquela quantidade de soluto na décima parte de toda solução (1/10).

Soluções

Soluções são misturas de substâncias. A maioria das soluções pode ser composta de duas partes ou fases: a fase dispersa e a fase dispersante. A fase dispersa é a substância que é dissolvida, frequentemente chamada de soluto. A fase dispersante é a parte que dissolve a outra, também chamada de solvente.

Trabalhando-se com soluções é imprescindível medirmos as quantidades relativas de substâncias em solução. Isso se refere à concentração, que é a quantidade de uma substância em solução. A concentração pode ser medida por uma das três maneiras básicas: massa por unidade de massa, massa por unidade de volume e volume por unidade de volume. A maneira mais precisa das três é massa por unidade de massa (m/m), pois a massa de uma dada quantidade não varia com a temperatura ou pressão como varia por volume. Massa por unidade de massa é quase sempre usada para medida de sólidos em material sólido.

Uma concentração em massa por unidade de volume (m/v) é provavelmente o valor mais comum encontrado nos laboratórios clínicos. Nesse método um número de unidades de massa ou peso é relacionado a um dado número de volume de solução. Esse sistema é mais frequentemente usado quando o soluto é um sólido e o solvente é líquido. O volume de uma quantidade particular de material vai variar com a temperatura e, no caso de gases, com a pressão. O grau de variação é usualmente insuficiente para provocar variações significativas nos resultados do teste, a não ser que variações extremas de temperaturas estejam envolvidas.

O último dos três métodos de medida de concentração é volume por unidade de volume (v/v). Esse método, que é o menos preciso dos três, é quase sempre usado quando o soluto e o solvente são líquidos.

A unidade de concentração do Sistema Internacional é o quilomol por metro cúbico (kmol.m-3), mas seu equivalente mol.l-1 (mol por litro) é o mais usado na prática diária laboratorial.

Entre os diversos meios de expressar concentrações, os mais usados são apresentados a seguir.

Soluções Percentuais – Correspondem a gramas de soluto por 100 mL de solução, sendo abreviados como g% ou %. Exemplos:

a) Para preparar 400 mL de NaCl a 5%, devem-se pesar 20 g do sal e adicionar água até completar o volume de 400 mL de solução. A relação de 20 g em 400 mL é de 5%.

b) Para prepararmos 250 mL de ureia a 8%, a quantidade de ureia necessária será:

8 g em 100 mL – significa dizer 8%.

Como são solicitados 250 mL, faz-se a regra de três:

8 g      100 mL

X g     250 mL

Portanto, basta diluir 20 g de ureia em água até completar o volume de 250 mL para termos uma solução a 8%.

Soluções Molares – Em reações químicas, átomos e moléculas, podem ser combinadas durante uma reação, ou seja, as reações acontecem no nível dos átomos ou moléculas dos reagentes. A medida de concentração em mol e da molaridade são métodos que auxiliam a medir o número de partículas envolvidas em tais reações. O peso atômico de um elemento químico é a massa real da partícula química relativa à massa de carbono. Outro método para determinar o peso molecular de um composto é somar os pesos atômicos dos átomos que compõem a molécula. Exemplo:

O peso molecular do cloreto de sódio (NaCl):

Peso atômico de Na = 23;

Peso atômico de Cl = 35,5.

O peso molecular do NaCl é a soma dos dois pesos moleculares (Na + Cl), ou seja 58,5. Um mol de cloreto de sódio é igual a 58,5 g. A expressão peso molecular em gramas é frequentemente usada como definição de mol.

Compartimentos dos Fluidos Corporais

Em condições normais, o organismo mantém sua composição interna relativamente constante. A água é o componente mais abundante do corpo, representando 40 a 70% do peso corporal. Essa variação é dependente da idade do indivíduo, quantidade de gordura, ingesta e diurese.

Os fluidos corporais são compartimentalizados por membranas ou finas camadas de células, permeáveis a água e solutos. A composição de cada compartimento estabelece um ambiente ótimo para as reações bioquímicas. A quantidade de líquido total é distribuída em dois grandes espaços: o extracelular e o intracelular.

O líquido extracelular compreende o plasma, o líquido intersticial, a linfa e o chamado transcelular. O plasma corresponde a todo o meio intravascular, exceto as células sanguíneas, sendo limitado pelo endotélio. O fluido intersticial ou linfa intersticial é um líquido claro e transparente que banha as células. Localiza-se no espaço linfointersticial entre o meio intracelular e os demais conteúdos extracelulares. As trocas de água e solutos entre os meios intra e extracelular ocorrem na interface do espaço intersticial e ambiente intracelular. O espaço do líquido transcelular corresponde aos dos fluidos do suco gastrointestinal, urina, líquido cefalorraquidiano, espaço subaracnoideo, cavidade cerebroespinhal, glândulas de secreção exócrina, mucosa respiratória e líquidos entre folhetos serosos.

A proporção aproximada dos líquidos mencionados em um homem de 70 kg é apresentada na Tabela 1.3.

Tabela 1.3 Proporção dos líquidos em um homem com 70 kg de peso corporal; excetuando-se o plasma que corresponde a aproximadamente 61%.

Normalidade e Equivalentes

Os eletrólitos se combinam entre si em proporção à sua valência iônica e não em proporção a seu peso. Quimicamente o padrão de referência é a carga elétrica (+) de um peso atômico de hidrogênio (1 g). Um equivalente de um íon é a quantidade que pode ser substituída ou combinada com um grama de hidrogênio; equivalendo quimicamente a um grama de hidrogênio. Em outras palavras, um equivalente de uma substância é o peso atômico dividido pela valência iônica e fornece um índice quantitativo das propriedades de combinação de todas as espécies iônicas. Esse é o método Normal (N) de expressar concentração, por estabelecer uma norma para comparação de soluções que reagem entre si, como ácidos, álcalis, oxidantes e redutores.

Tenhamos o exemplo do NaCl, em que o Na apresenta uma carga positiva (+) e o Cl uma negativa (-). Um mol de NaCl apresenta um equivalente de Na e um equivalente de Cl. Os íons que não apresentam cargas elétricas unitárias, como o cálcio e o magnésio (Ca++, Mg++), possuem um maior poder de combinação. Portanto, um mol de um íon divalente fornece dois equivalentes.

Exemplo: Para termos uma molécula de cloreto de cálcio necessitamos de dois íons de cloro para neutralizar um de cálcio.

Ca++ + 2 Cl - = CaCl2

2- MEMBRANA CELULAR

Jarbas Rodrigues de Oliveira

Karine Lucielle Grehs Meller

Laerson Hoff

Débora Sartori Giaretta

É cada vez mais notável a importância que a membrana plasmática tem na manutenção da homeostase celular. Além de regular as atividades intracelulares de maneira direta ou indireta, a membrana desempenha um papel central na comunicação intercelular (entre células diferentes) e na comunicação com o espaço intersticial, que é um meio líquido no qual as células se encontram suspensas.

Para manter uma comunicação tão intensa, a membrana tem que ser capaz de captar estímulos externos e, ao mesmo tempo, gerar sinais, sejam eles químicos ou elétricos. Assim, existem receptores específicos em sua superfície para cada tipo de estímulo que possa chegar até a membrana. O movimento de uma bactéria em direção ao alimento, a transformação de um estímulo luminoso em sinal elétrico na retina e a resposta de uma célula-alvo a hormônios (como a insulina) são exemplos em que a função desses receptores é primordial. Deve-se, deste modo, pensar a membrana como uma estrutura heterogênea e complexa, que compreende diversas proteínas, lipídios e também alguns açúcares.

O assunto deste capítulo, assim, será a membrana plasmática e sua estrutura, morfologia e funções. Tratar-se-á também, de algumas doenças que têm estreita relação com a disfunção de alguma atividade da membrana plasmática, como a diabetes.

Características Gerais

A espessura da membrana pode variar entre 60 a 100 Å aproximadamente, dependendo do tipo de célula. Em alguns casos, as membranas biológicas chegam a constituir 80% do total da massa celular desidratada. Isso é possível visto que a célula é constituída por um sistema de membranas que compreende não só a membrana celular, mas também as membranas de organelas ou aquelas que servem de compartimento para substâncias, como as enzimas e materiais fagocitados. Temos, portanto, uma grande variedade de membranas envolvendo as mais diversas estruturas, como, por exemplo: mitocôndrias, cloroplastos, núcleo, retículo endoplasmático (liso e rugoso), golgi, lisossomas, peroxissomas e outros.

De uma maneira geral, a membrana plasmática é constituída por lipídios e proteínas. Por esse motivo ela é dita uma membrana lipoproteica. Apresenta característica anfipática, ou seja, apresenta solubilidade em água e em solventes orgânicos, porém com maior característica lipossolúvel. As proteínas da membrana são mediadoras de diversas reações como a de sinalização via hormônios e transporte de substâncias, ao passo que os lipídios permitem a criação de um meio intracelular ideal (diferente do meio extracelular) para as reações bioquímicas no interior de cada célula. Nota-se, ainda, que a relação entre lipídios e proteínas existentes em cada tipo de membrana varia consideravelmente, propiciando diferentes propriedades às diferentes células. Na Tabela 2.1 mostramos duas membranas celulares com grandes diferenças nas concentrações de lipídios e proteínas.

Tabela 2.1 Percentual de proteínas e de lipídios nas

membranas da mitocôndria e bainha de mielina.

Percebe-se que as estruturas mostradas na Tabela 2.1 possuem funções completamente distintas. As membranas internas das mitocôndrias, por exemplo, durante a respiração celular, permitem a criação de um gradiente de prótons que permite a realização de uma reação denominada de fosforilação oxidativa, em que se forma adenosina trifosfato (ATP), a molécula energética das células. Esse processo requer uma intensa atividade proteica. Em contraste, a bainha de mielina, que reveste os axônios, que, por sua vez, formam os nervos, tem função de isolar a célula nervosa do meio externo. Para isso, necessita de uma grande quantidade de lipídios. Essa diferença de composição entre os diversos tipos de membranas pode explicar o porquê de células e organelas possuírem comportamentos diferentes.

Os valores da relação entre lipídios e proteínas não são constantes ao longo da vida da célula. Esses valores também dependem do ciclo celular. Quando a célula amadurece, o teor de proteína e de lipídio (esse em menor extensão) se altera. É a propriedade denominada Plasticidade no Tempo, em que as membranas estão constantemente perdendo e ganhando moléculas.

Constituição da Membrana Plasmática

A membrana é composta, principalmente, por uma matriz lipoproteica, bimolecular. Os lipídios geralmente estão presentes em maior concentração que as proteínas, porém têm peso molecular menor.

Lipídios

Por definição, toda substância insolúvel em água e altamente solúvel em solventes orgânicos (como o clorofórmio) é considerada um lipídio. Os lipídios são moléculas anfipáticas, ou seja, possuem uma parte hidrófila, que tem grande afinidade com a água, e outra parte hidrófoba, que não tem afinidade nenhuma com a água.

De um modo geral, os lipídios têm forma retangular. A extremidade hidrófila é representada por um círculo, que também é denominado cabeça polar (veremos por que mais adiante). A outra extremidade, hidrófoba, é representada por duas linhas paralelas e onduladas que partem do círculo. Veja a Figura 2.1.

Figura 2.1 Desenho esquemático de um lipídio.

Os lipídios são divididos em três grupos principais: glicolipídios, fosfolipídios e colesterol.

Glicolipídios

Esses lipídios são assim denominados porque contêm moléculas de carboidratos. O exemplo mais simples é o cerebrosídio, porque ele possui somente um resíduo de ose (glicose ou galactose). Os gangliosídios (glicolipídio mais complexo) podem ter até sete resíduos de oses e, quando se acumulam no organismo devido a problemas genéticos, causam uma doença denominada Tay-Sachs (mais frequente na comunidade judaica). A concentração desse tipo de lipídio na membrana é baixa (Figura 2.2).

Figura 2.2 Modelo de um glicolipídio.

Fosfolipídios

Esses são os lipídios predominantes nas membranas celulares, que se diferenciam por possuírem, em uma de suas extremidades, um radical polar, que é o fosfato (PO4-3). Na outra extremidade, apresentam duas cadeias de ácidos graxos, como os demais lipídios.

Os fosfolipídios derivados do glicerol, que é um álcool de três carbonos, são denominados fosfoglicerídeos ou também glicerofosfolipídios. Esses são mais numerosos do que os esfingolipídios, que são derivados da esfingosina (um álcool mais complexo). Veja a Figura 2.3.

Figura 2.3 Desenho esquemático mostrando a estrutura de um fosfolipídio.

Colesterol

O colesterol é um lipídio neutro, já que não possui nenhum radical livre, como o grupo fosfato (PO4-3) dos fosfolipídios. É composto por um álcool e pode estar ligado a um éster (colesterol esterificado). Ele está presente apenas em membranas de seres eucarióticos, variando muito sua concentração de célula para célula. No homem, possui inúmeras funções, entre elas, formação da bile e precursor de hormônios esteroides. As células mais ricas em colesterol são as hemácias, as células hepáticas e as células nervosas mielinizadas.

Esses três grupos de lipídios anteriormente citados estão presentes em todas as membranas plasmáticas (o colesterol, somente em seres eucarióticos). Suas taxas variam consideravelmente de célula para célula (Tabela 2.2). Esses valores vão depender da função da célula em questão. Cada tipo de lipídio apresenta uma função diferente, e isso vai se refletir na sua concentração na membrana de uma determinada célula (Tabela 2.2).

Tabela 2.2 Diferentes composições de membranas.

É necessário enfatizar que não somente entre as células de um mesmo indivíduo há variação na concentração dos lipídios da membrana plasmática, mas que células de mesma função, porém de espécies animais diferentes, podem apresentar diferenças nos teores de lipídios (Figura 2.4).

Figura 2.4 Composição lipídica das membranas de hemácias de diferentes mamíferos (C = colesterol, PE = fosfatidiletanolamina, PC = fosfatidilcolina, SP = esfingomielina).

Ácidos Graxos

Um ácido graxo é um composto que possui uma longa cadeia de hidrocarbonetos (carbono e hidrogênio) e, em uma de suas extremidades, apresenta um grupo carboxila (COOH), ou seja, possui uma porção hidrófila ou também chamada polar. Essa porção polar varia, em sua constituição, de acordo com o tipo de ácido graxo.

Os ácidos graxos são apolares, não possuem ligações livres e são, portanto, hidrófobos (não têm afinidade com a água). Cada molécula de ácido graxo pode ter conformações diferentes, tais como estado rígido, estado ordenado e estado fluido (desordenado), conforme a temperatura. A figura que segue apresenta uma esquematização desses três estados (Figura 2.5).

Figura 2.5 Desenho esquemático, mostrando os estados de agregação das cadeias de ácido graxo.

O primeiro tipo é o estado rígido, que é favorecido pela presença de resíduos de acilas saturadas, visto que suas cadeias hidrofóbicas retas interagem fortemente umas com as outras.

O segundo tipo é o estado ordenado. Nesse caso, uma dupla ligação CIS formou um ângulo na cadeia de hidrocarbonetos saturados. Esse ângulo impossibilitou o encaixe perfeito das cadeias. Formaram-se, assim, espaços entre as cadeias.

O último tipo, o estado fluido (desordenado), é uma resultante dos dois anteriores. Esse estado proporciona maiores espaços entre as cadeias de ácidos graxos, aumentando a permeabilidade.

A passagem de um estado para o outro depende diretamente da temperatura. Quando a temperatura de fusão é atingida, as cadeias mudam de conformação. Essa temperatura de fusão vai depender do comprimento das cadeias de ácido graxo e do seu grau de insaturação.

Quanto mais longas as cadeias de ácido graxo, mais fortemente elas interagem entre si, portanto, a temperatura de fusão também tem que ser mais elevada. Isso também ocorre em cadeias com um grau muito baixo de insaturação. As cadeias mais saturadas possuem uma temperatura de fusão maior, porque elas interagem mais fortemente do que as cadeias insaturadas, que são modificadas com uma maior facilidade.

Ácidos Graxos e a Fluidez da Membrana

A fluidez da membrana depende diretamente da configuração das cadeias de ácido graxo que a constituem. Há uma relação direta entre a fluidez da membrana e o grau de insaturação da cadeia hidrocarbonada, ou seja, quanto maior o número de ligas duplas, mais fluida será a membrana. O comprimento das cadeias também influencia. Cadeias longas interagem mais fortemente que as curtas, deixando menos espaços entre elas, reduzindo a fluidez da membrana.

Tudo isso foi evidenciado, experimentalmente, com o uso de membranas plasmáticas de Escherichia coli. Ao baixar a temperatura de 42° para 27° C, a relação entre cadeias de hidrocarbonetos saturados e insaturados diminui de 1,6 para 1,0. Quando se fala em cadeia de hidrocarboneto insaturado, refere-se àquelas cadeias em que ocorreu uma dupla ligação CIS. Qualquer composto que apresenta, pelo menos, uma ligação dupla ou tripla é considerado insaturado.

Funções dos Lipídios

Os lipídios apresentam várias funções na membrana plasmática. Descrevem-se a seguir algumas dessas funções.

Glicolipídios: atuam na regulação das interações celulares, tais como o crescimento e o desenvolvimento celular. Sua porção glicídica possui papel antigênico. Ainda possuem função como reserva nutritiva para a célula, como exemplo o TAG (triacilglicerol).

Fosfolipídios: possuem funções variadas como reservatório de mensageiros (PIP2), ancoramento de proteínas à membrana, constituinte fundamental da bainha de mielina (esfingomielina) e, fora da membrana, como constituintes da bile e do surfactante (dipalmitoil-lecitina), os quais possuem ação detergente, e os fatores ativadores de plaquetas (PAF) que são propriamente glicerofosfolipídios.

Colesterol: é um esteroide característico dos tecidos animais, sendo essencial para os mesmos: possui função estrutural e regula a fluidez da membrana celular. Quanto maior for a taxa de colesterol em uma membrana, maior é a sua fluidez. Fora dela, ele é usado como precursor de hormônios esteroides, sais biliares e vitamina D endógena (Vitamina D2). Não possui, entretanto, valor calórico para nós, apesar de ser extremamente rica em energia.

Os lipídios são um grupo extremamente heterogêneo de moléculas que vão desde os ácidos graxos (gordura) até as vitaminas lipossolúveis, as quais, naturalmente, possuem as mais diversas funções. Possuem, entretanto, um grande elo em comum: são lipossolúveis.

Tabela 2.3 Unidades hidrófilas e hidrófobas dos lipídios da membrana.

Organização da Bicamada Lipídica

Os lipídios são dotados de duas extremidades: uma polar (hidrófila) e outra apolar (hidrófoba). Devido a essa característica, a bicamada lipídica consegue separar os dois meios hidrofílicos, o íntra e o extracelular. A partir dessa teoria, foi possível realizar experiências que comprovassem por que a membrana plasmática apresenta a configuração de uma dupla camada lipídica (Figura 2.6).

Figura 2.6 Representação da experiência realizada por cientistas para comprovar a estrutura da bicamada lipídica.

Colocou-se, em um recipiente, uma solução de lipídios livres (Figura 2.6 A).  Notou-se que esses lipídios não ficaram inertes, mas se organizaram de maneira que suas extremidades polares permanecessem em íntima relação com a água (que é extremamente polar). As suas extremidades apolares procuraram manter-se em íntima relação com a extremidade apolar de outro lipídio. Assim, formou-se uma dupla camada de lipídios (Figura 2.6 B).

Essa dupla camada tende a ser extensa e se fechar formando o que chamamos de micelas (Figura 2.6 C), para que não haja extremos com cadeias hidrofóbicas expostas. Isso leva à formação de compartimentos, que são autosselantes, uma vez que a formação de um orifício é energeticamente desfavorável. Isso porque, para manter afastados os lipídios que estão interagindo fortemente, teria que haver gasto de energia.

Estabilidade da Bicamada Lipídica

Existem dois tipos de forças que mantêm essas camadas estáveis: Forças de Van der Waals, entre as cadeias de ácido graxo, e pontes de hidrogênio, entre os grupamentos polares dos lipídios e moléculas de água.

Forças de Van der Waals: mesmo sendo apolar, a molécula é composta por elétrons que estão em constante movimento. Em um dado momento, pode haver mais elétrons de um lado da molécula do que de outro. Isso torna a molécula momentaneamente polarizada e, por indução elétrica, provocar a polarização de uma molécula vizinha, resultando em uma atração fraca.

Pontes de Hidrogênio: é um caso de dipolo-dipolo. Quando uma molécula é polar, ela apresenta uma extremidade mais eletropositiva e outra mais eletronegativa. O lado positivo da molécula atrai o lado negativo de uma molécula vizinha, formando forças de atrações.

O hidrogênio, que possui apenas uma camada de elétrons, ao se ligar a elementos fortemente eletronegativos como o flúor, oxigênio e nitrogênio, faz com que esse único elétron compartilhado se afaste muito do hidrogênio, expondo este próton e criando um forte efeito polarizante na molécula. Subsequentemente, esse hidrogênio começa a se relacionar com outros flúores, oxigênios e nitrogênios para diminuir a tensão produzida. Essa é uma forte ligação entre moléculas orgânicas.  

Proteínas

As proteínas são as principais mediadoras de grande parte das reações que ocorrem ao nível da membrana. São elas as responsáveis pelos processos de transporte, comunicação e transdução de energia.

Assim como os lipídios, existe uma variação enorme de tipos de proteínas, e elas não estão distribuídas de maneira uniforme em todas as membranas. A maioria das células possui uma porcentagem de aproximadamente 40% de proteínas e 60% de lipídios. Mas esses valores não são constantes. A bainha de mielina, por exemplo, tem apenas 18% de proteína, ao passo que a membrana interna da mitocôndria tem 75% de proteína em sua constituição. Geralmente, quanto maior a atividade metabólica de uma célula, maior o teor de proteína em sua membrana.

Classificação das Proteínas da Membrana

As proteínas são divididas em dois grupos: móveis/migratórias e estruturais/fixas. O primeiro grupo é subdividido em proteínas móveis extrínsecas e proteínas móveis intrínsecas. Esses dois grupos são responsáveis pelas propriedades contráteis da membrana. São elas que capacitam à membrana a propriedade da flexibilidade, são solúveis em água e, portanto, pouco aderidas à membrana. As proteínas extrínsecas estão do lado de fora da membrana e, por isso, são também denominadas periféricas. Podem ser dissociadas pela adição de um sal e, devido a essa propriedade, infere-se que elas estão ligadas à superfície por interações eletrostáticas e/ou por pontes de hidrogênio. As proteínas intrínsecas estão na superfície interna da membrana, e não são facilmente removíveis como as extrínsecas (Figura 2.7).

Figura 2.7 Desenho esquemático da localização das proteínas migratórias.

As proteínas estruturais ou fixas não têm subdivisões, mas podem ser encontradas em várias posições na membrana plasmática (Figura 2.8).

Figura 2.8 Desenho esquemático mostrando a localização de proteínas estruturais.

Essas proteínas são insolúveis em água, portanto fortemente aderidas às regiões hidrófobas dos lipídios, nas cadeias de ácido graxo.

Glicoproteínas

As glicoproteínas constituem um tipo especial de proteína fixa. Elas se destacam por apresentarem restos glicídicos em sua superfície livre (externa), como mostra a Figura 2.9.

Figura 2.9 Desenho esquemático de uma glicoproteína.

Uma glicoproteína dificilmente conseguirá realizar uma rotação de um lado para outro da membrana, porque ela apresenta, na sua extremidade extracelular, resíduos de oses, que são fortemente hidrófilos e não conseguem atravessar o centro hidrófobo da membrana.

Essa barreira à rotação das glicoproteínas é favorável à célula, porque possibilita que a proteína fique na posição ideal para realizar suas funções. Essas proteínas constituem o glicocálix da célula, que tem um papel importante no reconhecimento intercelular. A interação de diferentes células para formar um tecido e a detecção de células estranhas pelo sistema imunológico são exemplos de processos que dependem do reconhecimento de uma superfície celular por outra.

Cada tipo de célula possui um glicocálix diferente, sendo isso possível devido ao enorme número de arranjos dos glicosídeos superficiais.

Movimento de Lipídios e Proteínas

na Membrana Plasmática

A membrana plasmática não é uma estrutura estática, pelo contrário, seus constituintes se encontram em constante movimento. Algumas partículas movimentam-se mais rapidamente do que outras.

As proteínas conseguem difundir-se à distância de vários micra (ou micrômetros – 10-6 metros) em aproximadamente um minuto. Os lipídios, em geral, conseguem movimentar-se mais rapidamente ainda, porque são menores em tamanho. A velocidade de um lipídio é de aproximadamente 10 cm/s.

Além do fator velocidade, é imprescindível considerar a direção do movimento. Há dois tipos de movimento: a difusão lateral, que consiste no movimento paralelo ao plano da membrana, e a difusão transversa, ou flip-flop, que consiste na rotação de uma partícula de uma face da membrana para a outra.

A difusão lateral é um processo muito mais rápido do que a difusão transversa. Um fosfolipídio sofre difusão transversa uma vez em várias horas, ao passo que ele percorreria a mesma distância, no sentido lateral, em um tempo dez vezes menor.

Estrutura da Membrana Plasmática

Muitas pesquisas foram feitas para tentar deduzir a estrutura da membrana plasmática. Várias teorias foram elaboradas a respeito desse assunto, mas a mais aceita é a do mosaico fluído. Veja a cronologia a seguir.

1935 - H. Davson e J. Danielli descobrem que as membranas têm uma fase hidrocarbonada contínua, constituída pelos componentes lipídicos.

1947 - J. D. Robertson elabora a hipótese da membrana unitária. Ele chegou à conclusão de que os lipídios são polares e formam uma dupla camada com as cadeias de ácido graxo orientadas para o centro e suas cabeças polares orientadas para fora. Além disso, cada superfície seria revestida por uma camada monomolecular de proteína.

1972 - S. Jonathan Singer e Garth Nicholson elaboram a teoria do mosaico fluido, que diz que as membranas são soluções bidimensionais de lipídios e proteínas globulares orientados. Veja a Figura 2.10.

Figura 2.10 A membrana plasmática, segundo Singer e Nicholson.

Fonte: Adaptado de Stryer (1988).

A teoria do mosaico fluido é a que melhor explica a estrutura da membrana pelos conhecimentos atuais. Esse modelo tem as seguintes características:

Os fosfolipídios estão organizados em uma dupla camada, formando uma matriz fluida. Essa dupla camada serve como solvente para as proteínas e, ao mesmo tempo, serve  como barreira semipermeável.

Os lipídios dotam a membrana de flexibilidade, resistência elétrica e fluidez.

Alguns lipídios interagem com as proteínas da membrana, sendo, muitas vezes, essenciais para sua função.

Os lipídios e as proteínas podem movimentar-se livremente, desde que seja no sentido paralelo ao plano da membrana ou no sentido transverso.

Permeabilidade da Membrana Plasmática

A membrana plasmática é semipermeável, isto é, permite a passagem de algumas substâncias e impede a passagem de outras. A barreira de permeabilidade é a bicamada lipídica, que, apesar de ter essa função, é bastante fluida.

O que determina a permeabilidade de uma substância através da membrana são o seu tamanho e a sua solubilidade na dupla camada lipídica (Tabela 2.4).

Tabela 2.4 Diferentes permeabilidades de partículas distintas.

Fonte: Adaptado de Stryer (1988).

O coeficiente de permeabilidade é dado em cm/s. Note que os coeficientes vão crescendo até a água, que é altamente permeável à membrana.

Os coeficientes de permeabilidade de moléculas pequenas são dados pela relação entre sua solubilidade em um solvente apolar e a sua solubilidade em água (um solvente polar).

Referências

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