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O que é simetria interna nas proteínas da membrana?

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Eu encontrei o termo "simetria interna" no contexto de proteínas de membrana, mas nunca encontrei uma definição satisfatória.

Estou lutando para descobrir exatamente o que este termo significa ... Que plano é essa simetria visto em? São dímeros que são simétricos ou pode um monômero também ser internamente simétrico?


A simetria interna, neste caso, refere-se aos casos em que uma parte da estrutura da proteína pode ser sobreposta (aproximadamente) a outra. Não é uma simetria matemática estrita, mais uma 'semelhança'

Por exemplo, nos 12 transportadores de hélice transmembrana, as primeiras seis hélices são arranjadas de forma semelhante às segundas seis, de modo que se alguém cortasse a proteína pela metade, veria que as duas metades (aproximadamente) se sobrepõem.

A Fig. 3 desta Nature Micro mostra isso claramente. http://www.nature.com/articles/nmicrobiol20159 Onde as hélices azuis em 3a podem ser giradas 180 graus e, em seguida, ter uma disposição muito semelhante às hélices amarelas.


Proteína de membrana integral

Um proteína de membrana integral (criança levada) é um tipo de proteína de membrana permanentemente ligada à membrana biológica. Todas as proteínas transmembrana são IMPs, mas nem todos os IMPs são proteínas transmembrana. [1] Os IMPs compreendem uma fração significativa das proteínas codificadas no genoma de um organismo. [2] As proteínas que cruzam a membrana são rodeadas por lipídios anulares, que são definidos como lipídios que estão em contato direto com uma proteína da membrana. Essas proteínas só podem ser separadas das membranas usando detergentes, solventes não polares ou, às vezes, agentes desnaturantes.


Conteúdo

Edição de assimetria

A bicamada lipídica consiste em duas camadas - um folheto externo e um folheto interno. [1] Os componentes das bicamadas são distribuídos desigualmente entre as duas superfícies para criar assimetria entre as superfícies externa e interna. [2] Essa organização assimétrica é importante para as funções celulares, como a sinalização celular. [3] A assimetria da membrana biológica reflete as diferentes funções dos dois folhetos da membrana. [4] Como visto no modelo de membrana de fluido da bicamada fosfolipídica, o folheto externo e o folheto interno da membrana são assimétricos em sua composição. Certas proteínas e lipídios ficam apenas em uma superfície da membrana e não na outra.

• Tanto a membrana plasmática quanto as internas têm faces citosólicas e exoplasmáticas • Essa orientação é mantida durante o tráfego da membrana - proteínas, lipídios, glicoconjugados voltados para o lúmen do RE e Golgi são expressos no lado extracelular da membrana plasmática. Nas células eucarióticas, os novos fosfolipídios são fabricados por enzimas ligadas à parte da membrana do retículo endoplasmático que fica em frente ao citosol. [5] Essas enzimas, que usam ácidos graxos livres como substratos, depositam todos os fosfolipídios recém-produzidos na metade citosólica da bicamada. Para permitir que a membrana como um todo cresça uniformemente, metade das novas moléculas de fosfolipídios precisam ser transferidas para a monocamada oposta. Essa transferência é catalisada por enzimas chamadas flippases. Na membrana plasmática, as flippases transferem fosfolipídios específicos seletivamente, de modo que diferentes tipos se concentram em cada monocamada. [5]

Usar flippases seletivas não é a única maneira de produzir assimetria nas bicamadas lipídicas, entretanto. Em particular, um mecanismo diferente opera para os glicolipídios - os lipídios que apresentam a distribuição assimétrica mais marcante e consistente nas células animais. [5]

Lipids Edit

A membrana biológica é composta por lipídios com caudas hidrofóbicas e cabeças hidrofílicas. [6] As caudas hidrofóbicas são caudas de hidrocarbonetos cujo comprimento e saturação são importantes na caracterização da célula. [7] As jangadas lipídicas ocorrem quando as espécies e proteínas lipídicas se agregam em domínios na membrana. Isso ajuda a organizar os componentes da membrana em áreas localizadas que estão envolvidas em processos específicos, como a transdução de sinal.

Os glóbulos vermelhos, ou eritrócitos, têm uma composição lipídica única. A bicamada dos glóbulos vermelhos é composta por colesterol e fosfolipídios em proporções iguais por peso. [7] A membrana eritrocitária desempenha um papel crucial na coagulação do sangue. Na bicamada dos glóbulos vermelhos está a fosfatidilserina. [8] Geralmente, fica no lado citoplasmático da membrana. No entanto, ele é virado para a membrana externa para ser usado durante a coagulação do sangue. [8]

Editar Proteínas

As bicamadas fosfolipídicas contêm proteínas diferentes. Essas proteínas de membrana têm várias funções e características e catalisam diferentes reações químicas. As proteínas integrais abrangem as membranas com diferentes domínios em cada lado. [6] As proteínas integrais mantêm forte associação com a bicamada lipídica e não podem se desprender facilmente. [9] Eles se dissociam apenas com tratamento químico que rompe a membrana. As proteínas periféricas são diferentes das proteínas integrais, pois mantêm interações fracas com a superfície da bicamada e podem facilmente se dissociar da membrana. [6] As proteínas periféricas estão localizadas em apenas uma face de uma membrana e criam assimetria de membrana.

ALGUNS EXEMPLOS DE PROTEÍNAS DE MEMBRANA DE PLASMA E SUAS FUNÇÕES
CLASSE FUNCIONAL EXEMPLO DE PROTEÍNA FUNÇÃO ESPECÍFICA
Transportadores Bomba Na + bombeia ativamente Na + para fora das células e K + para dentro
Âncoras integrinas ligar os filamentos de actina intracelular às proteínas da matriz extracelular
Receptores receptor de fator de crescimento derivado de plaquetas liga-se ao PDGF extracelular e, como consequência, gera sinais intracelulares que fazem com que a célula cresça e se divida
Enzimas adenilil ciclase catalisa a produção de molécula de sinalização intracelular AMP cíclica em resposta a sinais extracelulares

Oligossacarídeos Editar

Os oligossacarídeos são polímeros contendo açúcar. Na membrana, eles podem ser covalentemente ligados a lipídios para formar glicolipídios ou covalentemente ligados a proteínas para formar glicoproteínas. As membranas contêm moléculas de lipídios que contêm açúcar, conhecidas como glicolipídios. Na bicamada, os grupos de açúcar dos glicolipídeos são expostos na superfície da célula, onde podem formar ligações de hidrogênio. [9] Os glicolipídeos fornecem o exemplo mais extremo de assimetria na bicamada lipídica. [10] Os glicolipídeos desempenham um vasto número de funções na membrana biológica que são principalmente comunicativas, incluindo reconhecimento celular e adesão célula-célula. As glicoproteínas são proteínas integrais. [2] Eles desempenham um papel importante na resposta e proteção imunológica. [11]

A bicamada fosfolipídica é formada devido à agregação dos lipídeos da membrana em soluções aquosas. [4] A agregação é causada pelo efeito hidrofóbico, onde as extremidades hidrofóbicas entram em contato umas com as outras e são sequestradas para longe da água. [6] Este arranjo maximiza a ligação de hidrogênio entre as cabeças hidrofílicas e a água, ao mesmo tempo que minimiza o contato desfavorável entre as caudas hidrofóbicas e a água. [10] O aumento da ligação de hidrogênio disponível aumenta a entropia do sistema, criando um processo espontâneo.

As moléculas biológicas são anfifílicas ou anfipáticas, ou seja, são simultaneamente hidrofóbicas e hidrofílicas. [6] A bicamada fosfolipídica contém grupos de cabeça hidrofílicos carregados, que interagem com a água polar. As camadas também contêm caudas hidrofóbicas, que se encontram com as caudas hidrofóbicas da camada complementar. As caudas hidrofóbicas são geralmente ácidos graxos que diferem em comprimentos. [10] As interações dos lipídios, especialmente as caudas hidrofóbicas, determinam as propriedades físicas da bicamada lipídica, como a fluidez.

As membranas nas células normalmente definem espaços fechados ou compartimentos nos quais as células podem manter um ambiente químico ou bioquímico diferente do exterior. Por exemplo, a membrana em torno dos peroxissomos protege o resto da célula dos peróxidos, substâncias químicas que podem ser tóxicas para a célula, e a membrana celular separa a célula do meio circundante. Os peroxissomos são uma forma de vacúolo encontrada na célula que contém subprodutos de reações químicas dentro da célula. A maioria das organelas são definidas por tais membranas e são chamadas de organelas "ligadas à membrana".

Edição de permeabilidade seletiva

Provavelmente, a característica mais importante de uma biomembrana é que ela é uma estrutura seletivamente permeável. Isso significa que o tamanho, a carga e outras propriedades químicas dos átomos e moléculas que tentam cruzá-lo determinarão se eles terão sucesso em fazê-lo. A permeabilidade seletiva é essencial para a separação eficaz de uma célula ou organela de seu entorno. As membranas biológicas também têm certas propriedades mecânicas ou elásticas que permitem que elas mudem de forma e se movam conforme necessário.

Geralmente, pequenas moléculas hidrofóbicas podem facilmente cruzar bicamadas de fosfolipídios por difusão simples. [12]

Partículas que são necessárias para a função celular, mas são incapazes de se difundir livremente através de uma membrana, entram através de uma proteína de transporte de membrana ou são absorvidas por meio de endocitose, onde a membrana permite que um vacúolo se junte a ela e empurre seu conteúdo para dentro da célula. Muitos tipos de membranas plasmáticas especializadas podem separar a célula do ambiente externo: apical, basolateral, pré-sináptica e pós-sináptica, membranas de flagelos, cílios, microvilosidades, filópodes e lamelipódios, o sarcolema de células musculares, bem como mielina especializada e membranas espinhais dendríticas de neurônios. As membranas plasmáticas também podem formar diferentes tipos de estruturas "supramembranas", como caveolae, densidade pós-sináptica, podossomo, invadopódio, desmossomo, hemidesmossomo, adesão focal e junções celulares. Esses tipos de membranas diferem na composição de lipídios e proteínas.

Diferentes tipos de membranas também criam organelas intracelulares: endossomo retículo endoplasmático liso e rugoso retículo sarcoplasmático aparelho de Golgi lisossoma mitocôndria (membranas interna e externa) núcleo (membranas interna e externa) peroxissoma vacúolo citoplasmático grânulos vesículas de células (fagossomo, autófago-vesículo revestido, clesinossomo, clesinossomo Vesículas revestidas com COPI e vesículas revestidas com COPII) e vesículas secretoras (incluindo sinaptossoma, acrossomas, melanossomas e grânulos cromafins). Diferentes tipos de membranas biológicas têm diversas composições de lipídios e proteínas. O conteúdo das membranas define suas propriedades físicas e biológicas. Alguns componentes das membranas desempenham um papel fundamental na medicina, como as bombas de efluxo que bombeiam drogas para fora de uma célula.

Edição de fluidez

O núcleo hidrofóbico da bicamada fosfolipídica está constantemente em movimento devido às rotações em torno das ligações das caudas lipídicas. [13] Caudas hidrofóbicas de uma bicamada se curvam e se prendem. No entanto, por causa da ligação de hidrogênio com a água, os grupos de cabeça hidrofílicos exibem menos movimento, pois sua rotação e mobilidade são restringidas. [13] Isso resulta no aumento da viscosidade da bicamada lipídica mais próxima das cabeças hidrofílicas. [6]

Abaixo de uma temperatura de transição, uma bicamada lipídica perde fluidez quando os lipídeos altamente móveis exibem menos movimento, tornando-se um sólido semelhante a um gel. [14] A temperatura de transição depende de componentes da bicamada lipídica como o comprimento da cadeia de hidrocarbonetos e a saturação de seus ácidos graxos. A fluidez dependente da temperatura constitui um importante atributo fisiológico para bactérias e organismos de sangue frio. Esses organismos mantêm uma fluidez constante modificando a composição de ácidos graxos dos lipídios da membrana de acordo com as diferentes temperaturas. [6]

Em células animais, a fluidez da membrana é modulada pela inclusão do colesterol esterólico. Esta molécula está especialmente presente em grandes quantidades na membrana plasmática, onde constitui aproximadamente 20% dos lipídios da membrana em peso. Como as moléculas de colesterol são curtas e rígidas, elas preenchem os espaços entre as moléculas de fosfolipídios vizinhos deixados pelas dobras em suas caudas de hidrocarbonetos insaturados. Dessa forma, o colesterol tende a enrijecer a bicamada, tornando-a mais rígida e menos permeável. [5]

Para todas as células, a fluidez da membrana é importante por vários motivos. Ele permite que as proteínas da membrana se difundam rapidamente no plano da bicamada e interajam entre si, o que é crucial, por exemplo, na sinalização celular. Ele permite que os lipídios e proteínas da membrana se difundam dos locais onde são inseridos na bicamada após sua síntese para outras regiões da célula. Ele permite que as membranas se fundam e misturem suas moléculas e garante que as moléculas da membrana sejam distribuídas igualmente entre as células-filhas quando uma célula se divide. Se as membranas biológicas não fossem fluidas, é difícil imaginar como as células poderiam viver, crescer e se reproduzir. [5]


O que é simetria interna nas proteínas da membrana? - Biologia

Resumo do artigo:

As células são a unidade básica da vida. Todas as células têm uma característica comum conhecida como membrana permeável seletiva externa chamada de membrana celular ou membrana plasmática. Quase todas as células eucarióticas contêm um sistema mais complexo e complicado de membranas internas. Essas membranas internas dão origem a vários compartimentos cobertos por membrana dentro de cada célula. As membranas celulares são compostas principalmente de lipídios e proteínas.

A membrana plasmática atua como o limite entre o interior da célula e também o fluido extracelular que envolve cada célula. Os lipídios presentes principalmente na membrana plasmática são os fosfolipídios. Esses fosfolipídios são anfifílicos com a cauda do hidrocarboneto da molécula sendo hidrofílica, enquanto as cabeças polares são de natureza hidrofílica.
1. Os fosfolipídios mais comuns, como colesterol e fosfatidiletanolamina, estão presentes na membrana plasmática.
2. A membrana plasmática possui uma superfície aquosa em ambos os lados, dentro e fora da célula. Portanto, o fosfolipídeo presente na membrana celular forma uma estrutura de bicamada de fosfolipídeo com as caudas hidrofóbicas voltadas uma para a outra.

Embora todas as proteínas da membrana estejam presentes na membrana, elas são estrutural e funcionalmente diversas umas das outras. Toda a membrana biológica possui a mesma estrutura básica de bicamada fosfolipídica, que está associada a um conjunto de proteínas de membrana. Essas estruturas lipídicas e de proteínas de membrana permitem que a membrana plasmática execute todas as suas atividades biológicas.

Algumas proteínas que estão presentes na membrana plasmática estão apenas ligadas à superfície da membrana plasmática, onde, como outras, têm uma região mascarada dentro da membrana e também domínios em um ou em ambos os lados dela.

Principalmente, domínios de proteínas na superfície da membrana extracelular, e também ajudam no mecanismo de sinalização celular. Os domínios de proteína que são formados dentro da membrana, mais especificamente que formam canais e poros na membrana, ajudam no transporte de biomoléculas através das membranas.
Os domínios de proteína que ficam de frente para a face citosólica da membrana lidam com uma variedade de funções biológicas, como desencadear as vias de sinalização intracelular ou também agir como proteínas do citoesqueleto.

As proteínas de membrana podem ser classificadas em dois tipos principais de proteínas, como proteínas integrais ou, em outras palavras, como proteínas intrínsecas e periféricas ou extrínsecas, dependendo da natureza das interações de proteínas de membrana. A maior parte da biomembrana ou membranas plasmáticas ou membrana celular contém os dois tipos de proteínas de membrana.

Proteínas Integrais de Membrana:

As proteínas integrais da membrana também são chamadas de proteínas intrínsecas, pois uma ou mais partes dessas proteínas estão incorporadas na bicamada fosfolipídica da membrana celular. Muitas das proteínas associadas à membrana plasmática ou à membrana celular estão fortemente ligadas a ela. As proteínas integrais também contêm alguns resíduos com cadeias laterais hidrofóbicas que interagem com grupos acil graxos dos fosfolipídios que estão presentes na membrana. Isso ajuda a permitir a ancoragem das proteínas fortemente na membrana celular.

A maioria das proteínas integrais abrange toda a bicamada fosfolipídica. As proteínas transmembrana presentes na membrana plasmática contêm um ou mais domínios que abrangem a membrana. Esses domínios têm de quatro a várias centenas de resíduos de comprimento, que também se estendem para o meio aquoso em ambos os lados da bicamada.

Dois tipos de domínios que abrangem a membrana, como uma ou mais hélices α ou múltiplas fitas β, são encontrados nas proteínas transmembrana. As proteínas que contêm sete hélices α que abrangem a membrana formam uma classe muito importante e também importante que inclui muitos receptores de superfície celular e também a bacterioodopsina.

Algumas das proteínas transmembrana atravessam a membrana celular de bicamada várias vezes e formam um canal hidrofílico através do qual certos íons e também moléculas podem entrar ou sair da célula. Por exemplo, todos os receptores acoplados à proteína G como receptores de hormônios peptídicos. Todos os receptores atravessam a membrana celular ou a membrana plasmática sete vezes.

As proteínas transmembranares que formam as porções dentro da bicamada lipídica são constituídas por aminoácidos hidrofóbicos. Algumas porções da proteína transmembrana que são projetadas para fora da bicamada fosfolipídica são principalmente feitas de aminoácidos hidrofílicos. As proteínas que se projetam no ambiente aquoso ao redor da célula geralmente são compostas de glicoproteína, que também contém muitos dos resíduos de açúcar hidrofílicos que estão ligados à parte dos polipeptídeos expostos na superfície da célula.

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Referências

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As proteínas de membrana representam uma grande proporção do proteoma, mas têm características que são problemáticas para muitos métodos da biologia molecular moderna (que muitas vezes foram desenvolvidos com proteínas solúveis em mente). Para estudos estruturais, baixos níveis de expressão e a presença de detergente têm sido espinhos na carne do experimentalista de proteínas de membrana. Aqui, discutimos o uso da microscopia crioeletrônica em estudos inovadores das estruturas das proteínas de membrana. Este método pode lidar com quantidades relativamente pequenas de amostra e com a presença de detergente. Até recentemente, a microscopia crioeletrônica não podia fornecer estruturas de alta resolução de proteínas de membrana, mas desenvolvimentos recentes na tecnologia de microscopia eletrônica de transmissão e no processamento de imagem de partículas individuais capturadas no microscópio revolucionaram o campo, permitindo a obtenção de estruturas de alta resolução . Aqui nos concentramos nas questões específicas que cercam a aplicação da microscopia crioeletrônica ao estudo de proteínas de membrana, especialmente na escolha de um sistema para manter a proteína solúvel.

Microscopia crioeletrônica de proteínas de membrana. Os elétrons passam pela amostra e são focalizados e fotografados no microscópio eletrônico de transmissão. A amostra de proteínas de membrana é encapsulada em uma camada microscopicamente fina de gelo vítreo. Na maioria dos casos, micelas de detergente livre estarão presentes, bem como complexos de proteína / detergente.


Lens Gap Junctions

E.C. Beyer, V.M. Berthoud, em Encyclopedia of the Eye, 2010

Insultos que causam catarata e danos às conexinas da lente

As proteínas da lente, incluindo conexinas, podem acumular uma variedade de modificações pós-tradução com o envelhecimento ou em associação com a formação de catarata. A oxidação da metionina foi detectada nos ortólogos bovinos de CX46 e CX50. A desamidação da asparagina121 foi detectada no ortólogo CX50. No entanto, não é certo que essas modificações realmente ocorram na Vivo, uma vez que a oxidação e a desamidação da metionina podem ocorrer durante a preparação da amostra. Os efeitos da maioria dessas modificações na comunicação intercelular mediada por gap junction são desconhecidos.

Uma das etiologias de formação de catarata mais estudadas é o estresse oxidativo, que pode estar relacionado a alterações nas conexinas e nas junções comunicantes. Vários estudos usaram H2O2 tratamento de células de lente em cultura ou lentes isoladas para examinar as consequências do estresse oxidativo. Tratamento de culturas contendo frango lentoid com H2O2 leva a mudanças dependentes da dose e do tempo no padrão de imunotransferência de CX46 de frango, sugerindo que H2O2 leva à sua fosforilação diferencial. Uma forma clivada desta conexina foi observada após o tratamento com altas concentrações de H2O2 isso também está associado à morte celular. Tratamento de uma linha celular de lente que expressa CX43 com H2O2 leva a um aumento na atividade de PKCγ, um aumento na fosforilação de CX43 em Ser368, conforme detectado por immunoblotting, uma diminuição no número de placas de junção de lacuna e uma diminuição no acoplamento de corante. Efeitos semelhantes também foram observados quando lentes de ratos são tratadas com H2O2. Assim, vários dados sugerem que o estresse oxidativo leva a alterações na comunicação intercelular do cristalino por meio da ativação de proteínas quinases e alterações na fosforilação da conexina, o que pode contribuir para a formação de catarata.


A acidez pode alterar as propriedades da membrana celular

De todas as tecnologias incríveis que os humanos desenvolveram, nenhuma alcançou a complexidade do bloco de construção fundamental da natureza: a célula viva. E nenhuma das atividades da célula seria possível sem membranas lipídicas finas, ou bicamadas, que separam suas partes e regulam suas funções.

Mudanças no empacotamento das caudas em uma rede hexagonal, retangular-C ou retangular-P são observadas em vários níveis de pH.

Compreender e controlar as propriedades das bicamadas é vital para os avanços em biologia e biotecnologia. Agora, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Northwestern University determinou como controlar a cristalização das bicamadas alterando a acidez do ambiente.

A pesquisa, publicada em 24 de setembro no Anais da Academia Nacional de Ciências, lança luz sobre a função celular e pode permitir avanços na entrega de drogas e tecnologia bioinspirada.

"Na natureza, os seres vivos funcionam em um equilíbrio delicado: acidez, temperatura, todos os seus arredores devem estar dentro de limites específicos, ou eles morrem", disse a co-autora Monica Olvera de la Cruz, professora advogada Taylor de Ciência e Engenharia de Materiais, Química e (por cortesia) Engenharia Química e Biológica na Escola de Engenharia McCormick da Northwestern. "Quando os seres vivos podem se adaptar, no entanto, eles são mais funcionais. Queríamos encontrar o conjunto específico de condições sob as quais bicamadas, que controlam grande parte da célula, podem se transformar na natureza." Anais da Academia Nacional de Ciências, lança luz sobre a função celular e pode permitir avanços na entrega de drogas e tecnologia bioinspirada. Compreender e controlar as propriedades das bicamadas é vital para os avanços em biologia e biotecnologia. Agora, uma equipe interdisciplinar de pesquisadores da Northwestern University determinou como controlar a cristalização das bicamadas alterando a acidez do ambiente.

Aproveitando a carga nos grupos de cabeça das moléculas, os pesquisadores da Northwestern desenvolveram uma nova maneira de modificar as propriedades físicas da membrana. Eles começaram pela co-montagem de moléculas anfifílicas de dilisina (+2) e carboxilato (-1) de comprimentos de cauda variados em membranas de bicamada em diferentes níveis de pH, o que mudou a carga efetiva das cabeças. As bicamadas são feitas de duas camadas de moléculas anfifílicas - moléculas com propriedades tanto de amar quanto de odiar a água - que formam uma concha cristalina ao redor de seu conteúdo. Com o formato de um pirulito, as moléculas anfifílicas possuem uma cabeça carregada e hidrofílica (hidrofílica) que repele a água. As moléculas que formam cada camada se alinham cauda com cauda com as cabeças formando o exterior da membrana. A densidade e o arranjo das moléculas determinam a porosidade, a resistência e outras propriedades da membrana.

Em seguida, usando a tecnologia de espalhamento de raios-x na DuPont-Northwestern-Dow Collaborative Access Team (DND-CAT) na Fonte Avançada de Fótons do Laboratório Nacional de Argonne, os pesquisadores analisaram a cristalização resultante formada pelas moléculas das bicamadas.

(Para produzir imagens de microscópio eletrônico de estruturas de membrana, os pesquisadores as congelaram anteriormente, mas esse processo é trabalhoso e muda a fidelidade estrutural, o que o torna menos relevante para a compreensão da montagem da membrana e do comportamento em condições fisiológicas realizadas dentro do corpo humano .)

Os pesquisadores da Northwestern descobriram que a maioria das moléculas não respondeu a uma mudança na acidez. Mas aquelas que possuíam um comprimento de cauda crítico - uma medida que se correlaciona com o nível de hidrofilia das moléculas - a carga das cabeças das moléculas mudou na medida em que sua cristalização bidimensional se transformou em uma rede periódica de padrão retangular (encontrado em soluções mais básicas) para uma rede hexagonal (encontrada em soluções mais ácidas). Conchas com maior simetria, como hexagonais, são mais fortes e menos quebradiças do que aquelas com menor simetria. A mudança no pH também alterou a espessura das bicamadas e a compactação das moléculas.

Alterar a densidade e o espaçamento das moléculas dentro das membranas pode ajudar os pesquisadores a controlar o encapsulamento e a eficiência de liberação das moléculas dentro de uma vesícula.


Ciência e Biologia: A Função de uma Membrana Celular

A função de uma membrana celular, também conhecida como membrana plasmática, é proteger as estruturas dentro da célula, dar forma à célula e apoiar sua estrutura.

Estruturas de Membranas Celulares

A membrana celular é composta por uma camada dupla de lipídios e proteínas. Existem três tipos diferentes de proteínas encontradas dentro de uma membrana celular: proteína estrutural, proteína de transporte e glicoproteína. Essas camadas de lipídios e proteínas permitem que a membrana celular desempenhe sua função principal, que é circundar a célula e protegê-la do ambiente externo. Uma membrana celular é seletivamente permeável, permitindo apenas que certas substâncias entrem e saiam da célula. Em alguns casos, a membrana celular também pode controlar a quantidade de uma determinada substância que pode passar por ela.

Função de uma membrana celular

A célula ou membrana plasmática deve proteger a célula de seu ambiente externo, ao mesmo tempo que dá estrutura à célula e regula os materiais que entram e saem da célula. Esse regulamento garante que substâncias nocivas não entrem na célula e que substâncias essenciais não saiam da célula. O oxigênio pode passar facilmente através da membrana celular, porque é necessário para a respiração celular, que é uma função primária de uma célula. Os subprodutos dessas funções, como o dióxido de carbono, podem sair da célula depois que ocorre a respiração celular. Ao contrário do oxigênio, água e dióxido de carbono, íons altamente carregados e macromoléculas maiores não podem passar diretamente através da membrana celular. Em vez disso, eles podem entrar na célula por meio de proteínas embutidas na membrana. Como a membrana celular é essencial para proteger a célula e sua estrutura, um buraco ou ruptura na membrana celular pode fazer com que a célula pare de funcionar adequadamente e, eventualmente, morra.

Another essential function of a cell membrane is communication or cell signaling. The cell membrane's receptor proteins bind to molecules from other areas of the body and communicate with them to send a signal inside the cell, telling the cell to perform a certain function. A cell membrane's receptors can be taken over by harmful viruses, such as the human immunodeficiency virus (HIV), causing an infection.

The overall function of a cell membrane can be compared to the function of a castle's drawbridge and outer wall. Just as a drawbridge and wall protect a castle and ensure only certain individuals enter and exit the castle, the cell's membrane offers protection to the cell and regulates which substances are allowed to enter and exit the cell. Cell signaling is similar to using a lookout tower on a castle wall to communicate with neighboring castles.

Cellular Transport

Cellular transport, one of the main functions of a cell membrane, can occur in multiple ways. The first type of cellular transport is passive osmosis and diffusion. This is when substances, such as water and oxygen, pass easily into the cell directly through the cell membrane. The next type of cellular transport is called transmembrane protein transport, which is when small organic molecules are transported into the cell. Endocytosis is the third type of cellular transport. This kind of transport is similar to the cell "eating" other substances and is characterized by the cell engulfing and then absorbing large molecules or even entire other cells. The last type of cellular transport, exocytosis, occurs when a cell removes or secretes substances.


MEMBRANES

Membrane fluidity -- according to the fluid mosaic model, proteins and lipids diffuse in the membrane.

  • preventing ion flux
  • active transport of ions from side to side of the plasma membrane.
  1. Types of molecules that can cross membranes by diffusion:
    • Water and small lipophilic organic compounds can cross.
    • Large molecules ( e.g. proteins) and charged compounds do not cross.
  2. Direction relative to the concentration gradient: movement is DOWN the concentration gradient ONLY (higher concentration to lower concentration).
  3. Rate of diffusion depends on
    • charge on the molecule -- electric charge prevents movement.
    • size -- smaller molecules move faster than larger molecules.
    • lipid solubility -- more highly lipid-soluble molecules move faster.
    • the concentration gradient -- the greater the concentration difference across the membrane, the faster the diffusion.
  4. Direction relative to the membrane: molecules may cross the membrane in either direction, depending only on the direction of the gradient.
  1. Ion channels exist for Na + , K + and Ca ++ movement. These channels are specific for a given ionic species.
  2. Channels consist of protein, which forms a gate that opens and closes under the control of the membrane potential.
  3. Ion movement through channels is always down the concentration gradient.
  1. A carrier must be able to perform four functions in order to transport a substance.
    • Recognition -- to specifically bind the substance that is to be transported.
    • Translocation -- movement from one side of the membrane to the other.
    • Release -- on the other side of the membrane
    • Recovery -- return of the carrier to its original condition so it can go through another cycle of transport.
  2. Terminology: Carriers are also variously called "porters,""porting systems,""translocases,""transport systems" and "pumps."
  3. Carriers resemble enzymes in some of their properties.
    • They are NOT enzymes, as they do NOT catalyze chemical reactions.
    • They are enzyme-like in the following ways. They are specific. They have dissociation constants for the transported substances which are analogous to Km of enzymes. Transport can be inhibited by specific inhibitors. They exhibit saturation, like enzymes do. Diffusion, in contrast, is not saturable, and its rate increases with increasing concentration.
  4. A general model for transport is that the carrier is a protein which changes conformation during the transport process.
  5. Sometimes carriers move more than one molecule simultaneously. Nomenclature:
    • Uniport: a single molecule moves in one direction.
    • Symport: two molecules move simultaneously in the same direction.
    • Antiport: Two molecules move simultaneously in opposite directions.
  1. The characteristics of a carrier operating by passive mediated transport.
    • Faster than simple diffusion
    • Movement is down the concentration gradient only (like diffusion)
    • No energy input is required -- the necessary energy is supplied by the gradient.
    • The carrier exhibits specificity for the structure of the transported substance saturation kinetics specific inhibitability
  2. Examples of passive mediated transport.
    • Glucose transport in many cells. A uniport system Can be demonstrated by the fact that adding substances with structures that resemble the structure of glucose can inhibit glucose transport specifically. It is specific for glucose. The K m for glucose is 6.2 mM (a value in the neighborhood of the blood concentration of glucose, 5.5 mM) The K m for fructose is 2000 mM The transport process involves attachment of glucose outside the cell. Conformational change of the carrier protein. Release of the glucose inside the cell. There is no need to change K m for glucose, since the glucose concentration in the cell is very low.
    • Chloride-bicarbonate transport in the erythrocyte membrane. This is catalyzed by the band 3 protein seen previously. An antiport system: both ions MUST move in opposite directions simultaneously. The system is reversible, and can work in either direction. Movement is driven by the concentration gradient.
  1. There are two sources of energy for active transport.
    • ATP hydrolysis may be used directly.
    • The energy of the Na + gradient may be used in a symport mechanism. The energy of the Na + going down its gradient drives the movement of the other substance. But since the Na + gradient is maintained by ATP hydrolysis, ATP is the indirect source of energy for this process.
  2. The characteristics of a carrier operating by active transport.
    • Can move substances against (up) a concentration gradient.
    • Requires energy.
    • Is unidirectional
    • The carrier exhibits specificity for the structure of the transported substance saturation kinetics specific inhibitability
  3. How can the substance be released from the carrier into a higher concentration than the concentration at which it bound in the first place?
    • The affinity of the translocase for the substance must decrease, presumably by a conformational change of the translocase.
    • This process may require energy in the form of ATP.
  4. Examples of active mediated transport.
    • Ca ++ transport is a uniport system, using ATP hydrolysis to drive the Ca ++ movement. There are two Ca ++ translocases of importance.
      • In the sarcoplasmic reticulum, important in muscle contraction.
      • A different enzyme with similar activity in the plasma membrane.
    • The Na + -K + pump (or Na + -K + ATPase).
      • An antiport system.
      • Importance: present in the plasma membrane of every cell, where its role is to maintain the Na + and K + gradients.
      • Stoichiometry: 3 Na + are moved out of the cell and 2 K+ are moved in for every ATP hydrolyzed.
      • Specificity: Absolutely specific for Na + , but it can substitute for the K + .
      • The structure of the Na + -K + pump is a tetramer of two types of subunits, alpha 2 beta 2 . The beta-subunit is a glycoprotein, with the carbohydrate on the external surface of the membrane.
      • The Na + -K + ATPase is specifically inhibited by the ouabain, a cardiotonic steroid. Ouabain sensitivity is, in fact, a specific marker for the Na + -K + ATPase.
      • The proposed mechanism of the Na + -K + ATPase shows the role of ATP in effecting the conformational change.
        • Na + attaches on the inside of the cell membrane.
        • The protein conformation changes due to phosphorylation of the protein by ATP, and the affinity of the protein for Na + decreases.
        • Na + leaves.
        • K + from the outside binds.
        • K + dephosphorylates the enzyme.
        • The conformation now returns to the original state.
        • K + now dissociates.
    • Na + linked glucose transport is found in intestinal mucosal cells. It is a symport system glucose is transported against its gradient by Na + flowing down its gradient. Both are transported into the cell from the intestinal lumen. Na + is required one Na + is carried with each glucose. The Na + gradient is essential it is maintained by the Na + -K + ATPase.
    • Na + linked transport of amino acids, also found in intestinal mucosal cells, works similarly. There are at least six enzymes of different specificity that employ this mechanism. Their specificity is as follows. Short neutral amino acids: ala, ser, thr. Long or aromatic neutral amino acids: phe, tyr, met, val, leu, ile. Basic amino acids and cystine: lys, arg, cys-cys. Acidic amino acids: glu, asp Imino acids: pro and hypro Beta-amino acids: beta-alanine, taurine.
  1. There are four types of signals.
    • Nerve transmission
    • Hormone release
    • Muscle contraction
    • Growth stimulation
  2. There are four types of messenger molecules.
    • steroids
    • small organic molecules
    • peptides
    • proteins
  3. The messenger may interact with the cell in either of two ways.
    • Entry into the cell by diffusion through the cell membrane (the steroid hormones do this).
    • Large molecules or charged ones bind to a receptor on the plasma membrane.
  4. The events associated with communication via these molecules may include the following.
    • Primary interaction of the messenger with the cell (binding by a receptor).
    • A secondary event, formation of a second messenger. (this is not always found).
    • The cellular response (some metabolic event).
    • Termination (removal of the second messenger).
  1. Steroids are lipid soluble, and can diffuse through the plasma membrane.
  2. Cells which are sensitive to steroid hormones have specific receptor proteins in the cytosol or nucleus which bind the steroid.
  3. The receptor-hormone complex then somehow causes changes in the cell's metabolism, typically by affecting transcription or translation.
  4. The mechanism of termination is unclear, but involves breakdown of the hormone.
  1. Membrane receptors bind specific messenger molecules on the exterior surface of the cell. Either of two types of response may occur.
    • Direct response: binding to the receptor directly causes the cellular response to the messenger.
    • Second messenger involvement: Binding to the receptor modifies it, leading to production of a second messenger, a molecule that causes the effect.
    • In each case messenger binding induces a conformational change in the receptor protein. Binding of the messenger resembles binding of a substrate to an enzyme in that there is a dissociation constant inhibition (by antagonists) which may be competitive, noncompetitive, etc.
  2. A variety of messengers can bind to various tissues.
    • Various cellular responses may occur, depending on the tissue.
    • Either positive or negative responses may occur, even in the same tissue, depending on the type of receptor.
  3. The response of a cell to a messenger depends on the number of receptors occupied.
    • A typical cell may have about 1000 receptors.
    • Only a small fraction (10%)of the receptors need to be occupied to get a large (50%) response.
    • Receptors may have a dissociation constant of about 10 exp -11 this is the concentration of messenger at which they are 50% saturated. Thus very low concentrations of messengers may give a large response.
  1. The receptor is a complex pentameric protein which forms a channel through the membrane.
  2. Mechanism of action.
      Binding of acetylcholine, a small molecule, at the exterior surface causes the channel to open. (Binding)
  3. Na + and K + flow through the channel, depolarizing the membrane. (Response)
  4. The esterase activity of the receptor then hydrolyses the acetylcholine, releasing acetate and choline, and terminating the effect. (Recovery)
  5. The process can now be repeated.
  1. Definition: This intracellular mediator is called a second messenger .
  2. Effect of second messenger formation: Since a receptor usually forms many molecules of second messenger after being stimulated by one molecule of the original effector, second messenger formation is a means of amplifying the original signal.
  3. The formation and removal of the second messenger can be controlled and modulated.

  1. Structure of cAMP: an internal (cyclic) 3', 5'-phosphodiester of adenylic acid.
  2. The mechanism of action of cAMP is to activate an inactive protein kinase.
    • Animated activation sequence.
    • Since an active protein kinase which acts on many molecules of its substrate is produced, this process is an amplification of the original signal.
    • Since the protein kinase is activated by cAMP it is called protein kinase A.

    The reaction ATP < -> cAMP + PPi is reversible, but subsequent hydrolysis of the PPeu

  • G-proteins are a class of proteins that are so named because they can react with GTP. There are G-proteins in addition to the ones under consideration here.
  • G s and G i are so named because they stimulate and inhibit, respectively, adenyl cyclase.
  • Structure: G-proteins are complexes of three different subunits, alpha, beta and gamma. Beta and gamma are similar in the G s and G i proteins. The alpha-subunits are different, and are called alpha s and alpha i , respectively.
  • Mechanism: Receptor-messenger interaction stimulates binding of GTP to the alpha-subunits. The alpha-subunit with its bound GTP then dissociates from the beta-gamma complex. The alpha-subunit with its bound GTP then acts on adenyl cyclase. alpha s -GTP stimulates adenyl cyclase. alpha i -GTP inhibits adenyl cyclase.
  • The alpha-subunit of the G-protein has GTPase activity. After it cleaves the GTP it reassociates with the beta-gamma complex to form the original trimer.
  • cAMP already formed is cleaved by cAMP phosphodiesterase.
  • The hormone gradually and spontaneously dissociates from the receptor.
  1. Animated activation sequence.
  2. IP 3 and DG are synthesized by the enzyme, phospholipase C, which has phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP 2 ) phosphodiesterase activity. PIP 2 is a normal minor component of the inner surface of the plasma membrane.
  3. The phosphodiesterase is controlled by a G-protein in the membrane, which activates the phosphodiesterase.
  4. Mechanism: IP 3 and DG have separate effects.
    • IP 3 releases Ca ++ from the endoplasmic reticulum. The Ca ++ then activates certain intracellular protein kinases.
    • DG activates protein kinase c, a specific protein of the plasma membrane.
    • Note that both IP 3 and DG activate protein kinases, which in turn phosphorylate and affect the activities of other proteins.
  5. Termination of the signal occurs at several levels.
    • IP 3 is hydrolyzed.
    • Ca ++ is returned to the endoplasmic reticulum or pumped out of the cell.
    • The GTPase activity of the G-protein hydrolyses the GTP, terminating the activity of the phospholipase C.
  6. Many systems respond to changes on IP 3 and DG. Be aware of the large number of systems affected.

Structure: The insulin receptor is a tetramer with two kinds of subunits, alpha and beta. Disulfide bridges bind them together.


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