biologie celulara curs 2.1 - organizarea moleculara a biomembranelor
TRANSCRIPT
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
1/28
ORGANIZAREA
MEMB
RANELOR
CELULARE
DE
r^4,
MOLECALE
I^4,
O
STUCTURA
FANCTTONAL/{
LIPIDELE
MEMBRANARE
Asoecte
senerale
-
Lipidele
reprezintd
4U50vo
din
materialul
organic
al
membranelor.
Sub
aspect
molecular
ele
reprezintd
componenta
structurald
de
bazd
a
membranelor
celulare (raportul
molecular
lipide/proteine
fiind
de
-50/1).
Aga
cum
stipuleazd
modelul
in
mozaic
fluid
al
organizirii
membranelor,
lipidele
sunt
structurate
in membrane
sub
formd
de
bistrat,
cu
capetele
hidiofile
la
exterior gi
cozile
hidrofobe
in
i1ter1g,
bistrat
care
prezintd
proprietdfi
fluide,
manifestate
bidimensional.
tr'uirt
"t-fipiJ"le
au
o
distribufie
(dispunere)
asimetricd gi
sunt
de
o
mare
eterogenitate.
Agadar,
membranele
celulare
sunt
structurate pe-un
bistrat
lipidic
bidimensional,
asimetric
Ei
eterogen.
In
cele
ce urmeazd
vom
cauta
si argumentem
aceste
afirmafii
de
ordin
general,
detaliind
aspectele
legate
de
eterogenitatea
componentei
lipidelor
membranare,
dispunerea"lor
asimetricd
in
cadrul
bistratului
gi
comportamentul
lor fluid,
manifestat
bidimensional,
cu
scopul de
a
infelege
cum
acestea
asiguri
funclionarea
membranelor.
tnformaliile
se
vor
nuanfa qi
ne
vor
u.;otu
ra irprr "*
,nui
bine
cum
opercazd
membranele
celulare,
prin
abordarea
ulterioarl
a
aspecteloi
legate
de
proteinele
membranare
ca
9i
prin
discutarea
componentei
glucidice
a
membranetor.
oe
punc"tat
ca
toi
ce
vom
prezenta
aici,
in
principiu,
pentru
structura gi
funcfionalitatea
memb.*.i
^""fui*"
se-aprica
qi
membranelor
din
interiorul
celulelor,
aganumitele
endomembrane,
cele
care
structureazd
organitele
citoplasmatice
delimitate
de
membrane.
In
problema
definirii
lipidelor
membranare,
nu
ne
propunem
un
enun
cu
valabilitate
absolut6.
i::li::t*.ill'f:3:j:I1,:
"oerationard.pentru
interesul
nostru,
asrfet
incdt
s6
avem
aceiaei
percepfie
a noliunii.
Vom
structura
aceastd
definilG
dupd
modelul
logic
al
definirii
p.i,
g"n
p;oxim
gi
diferen{d(e)
specifi
cd(e)'
.
Lipidele
membranare reprezintd
o
categorie larg6 de substanle organice
relativ
insolubile
in
apd'
solubile
in
cei mai
mulfi
solvenfi
organici,
cu
caracter
amfifil,
*ult"
dintr"
ele
fiind
esteri
ai unor
I
logica
qtiinfa
care
ne
inv-afa.cum
s{
gdndim
corect,
pe.
baza
unor
structurtrri
rafionale
ale
cuno$tinfelor,
stabilefte
patru
modalit4i
de
construcfie
a definigiilor
pentru
nofiuni
(fiinp,
obiecte,
fenomene;.
Aiesie
fatru
moauitati
conduc
la
patru
tipuri
de
definifii
care
sunt
(r)
definifiile
genetice
(constructive)
prin
care
se
indica
rnodulin
lare
a
luat
fiinli
nofiunea;
(;;)
definifiile
ostensive (demonstrative,
sau prin
indicare)
prin
care
se enumeri
cafiva
dintre
membrii
(preferabil
reprezentativi)
clasei
din
care
face
parte
nofiunea
de definit;
(ii,
deliniliiie
enumerative
prin
,ur"
..
.nur"raioli
memurii
crasei;
(iv)
definifiile
prin
gen
proxim gi
difercnftr(e)
specific5(e)
prin
care,
mai
?ntdi
se stabiie-qte.
o
.o,.goJ.-,nri
r.:.gd
de
nofiuni
cdreia
ii
aparline pi
cea
pe
care
dorim
si
o
y'efinim
(genul
proxim),
dupd
care
se
identifici
qi
se
enfmeri
atdtea
caracteristici
specifice
no(iunii
pe
care
urmlrim
sd o definim,
cate sunt
necesare
pentru
o
extragere
tara
amuiguitali
ain
g"*ip.*i*
9i
definirea
clard.
Pentru
exitinderea
demersului
intelectual
al
acestei
notJde
subsol,
sd Jxernplirr.i*
"r'a-"nni6i
pentru
fiecare
tip
din
cele
patru.
Penru
definifiile
genetice
am.putea
Propune
una
Pentru
ce
esre.
Romaniaii
uo*
rpun",
nomdnia
este
o
fari
europeantr
formattr
printru-un
proces
indelungat
de unire
a
unor
ldri
medievale
mici,
mai
int6i
a
Moldo'vei
cu
lara
romaneascd,
in
a
c9_Ia.iumatate
a
secolului
al XIX-lea' proces
finalizat prin
adtrugarea
Ardealului
qi
nasa.auiei
ra
ffiin
l
pi,i
rrri
iaruoi
,o"ai'rr.
'
"
*
'
a
cxemplu
de definifie ostensivtr
str
incercdm
aplicarea
la
oceania,
.prrara,
ci.."riu
este
o
regiune
de insule
din
oceanul
Pacificintre
care
se
afli
papua
Noua
Guinee,
Insurire
Marshar,
samoa,
Noua
Zeerandi.
-
ffilj$:r"#**f":
putem
exemplifica
pentru
{drile
scandinave
ri
;";;;ril;;:
Tirire
scandinave
sunt
Norvegia,
suedia,
Nu vom
da
exemplu
de definifie prin
gen
proxim
5i
diferenl6(e)
specificS(e),
deoarece
folosim
metoda
in
text
la definirea
Iipidelor
rrcmbranare,
dar vom
remarca
faptul
ci
toate
celelalte
tipuri
d;
definitii
se
aoresearide
regul{,
unor
inifiati
(in
istorie,
sau
eografie
pentru
exemplele
folosite)' pe
cind
tipul
oe
definigie
ce
tace
subiectul
ur"ri.iiur"
ore
unul
instructiv,
care
poate
ajuta
infelegerea
5i
unora
mai
pufin,
sau
deloc
iniliali'
Definilia
I
c:n
froxim.
i
diferenfe
,pr.in."
este
cel
mai
a".
uiiiiruri
in
qtlir1",
daci
nu
in
exclusivitate.
Prin
acest
tip
de definitie
se
pot
defin-i
chiar
gi
oriqnuinleil,
JL-p*
"u."
tot
Logica
ne spune
ca
sunr
greu
de
definit'
condifia
este
ca
cel
care
defineqte
si
cunoasci
foarte
bine
ceea
."
t
"bui"
Jiefineasca.
p.i't
u
""i
"1r"
,rit
inrt
uili,
acest
tip
de
definifie
este
elocvent
din
punct
de
vedere
formator,
creind
o irugin.
srg".tiua
pentru
obiectul,
nofiunea,
fenomenul
care
se define$te.
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
2/28
Dr. Mhcea Leabu- Lipidele
membranare.
curs
pentru
studenliitn
medicind
alcooli
polihidroxilici
cu acizi
gragi
(acizi
carboxilici
cu lan
alifatic
liniar,
adici
o
cateni
liniard
confinind
mai
mulli atomi
de carbon).
Se observi cd
definilia
este foarte cuprinz[toare
sub
aspectul
speciilor
moleculare pe
care le
poate
include,
din
punct
de vedere
al
structurii chimice.
S[ nu
uitdm
insd
cE interesul
nostru
este de
naturd
biologici,
aga
c6,
privind din
aceasti perspectivd, mai multe
intrebdri
pot frdm6nta
dorinla
de a
pdtrunde
logic domeniul.
Care ar
fi
acestea?
l. De ce lipide
(in
structura
de
bazd
a
biomembranelor)?
2. Care
dintre lipide
(participd
la structurarea membranelor)?
3. De ce
(dispunere
in)
bistrat?
Si
le luflm
pe
rdnd
gi
sI
punctim
aspecte
care
sd
ne ajute
in
a
gEsi
rispunsuri
acestor
intrebdri,
cu
rdsfringere asupra
infelegerii funclionalit6fii
membranelor.
Lipidele componente
ideale
pentru
stracturarea membranelor
(De
ce
lipide?)
Caracterele
fizico-chimice ale lipidelor le
definesc
drept molecule
ideale
pentru
structurarea de
membrane,
a
cdror
principalI
menire
este
aceea
de a
separa
doud compartimente
apoase
(interiorul
celulelor de mediul inconjurdtor).
De ce
le
definesc
drept
molecule
ideale?
Pentru cd structura
gi
caracterul
lor
amfipat induce
proprietdli
amfifile
arhitecturii pe
care
o
organizeazd,
partea
hidrofobi
putdnd
crea o barier6,
iar
partea
hidrofilE
conferind
capacitatea
de
a
acomoda mediile apoase aflate de
o
parte
gi
de cealalt[,
adicl
interiorul,
respectiv
exteriorul
celulei.
Lipidele sunt
molecule
mici cu
posibilitdli
mari
de mobilitate,
astfel
inc0t
structurile
pe
care
le
pot
asambla
nu
sunt
rigide. Sunt molecule relative
insolubile
in
medii
apoase, prezent6nd
tendinf[
de asociere spontan5, ceea ce
conferd
structurilor
pe
care le formeazi
tenacitatea
de a-gi
pastra
integritatea,
sau de a
se
reface
rapid, atunci
c6nd
sunt
agresate mecanic.
Tendinfa
spontane
de
asociere
implicd un consum
energetic minim,
ceea
ce
reprezintd
un
avantaj
in
economia
celulari. Degi
sunt
molecule
mici,
structura
lor este
deosebit
de
complexd
(chiar
numai
rememorind
defini1ia,
dar
gi,
cum
se
va
vedea in
cele
ce
urmeaz6,
cdnd vom
rdspunde
intrebdrii
"Care
dintre lipide?"). Aceastd
complexitate
chimicd vom
realiza
ci
este
exploatati
fericit
de
celuli
(vezi
la
"Rolul lipidelor
membranare").
Dacd
ar
fi sd
punctdm
pentru
inceput
avantajele
ce
rezultd in
privinfa
structuririi
membranelor,
notdm
cf, defectele,
ce ar
putea
apdrea
in
structura
lor,
sau in
structurarea
bistratului,
sunt
ugor
de acceptat
gi,
ulterior,
de
corectat,
fhrd
a
induce
efecte
biologice catastrofale
(caracterul
amfifil nu
se
pierde).
Mai
mult,
modelarea
lor
structural6,
dupi cum va reiegi
mai
jos
(vezi
la
"Rolul
lipidelor
membranare"),
care se
face
printr-un
bagaj
enzimatic
adecvat,
consistent
qi
bine
elaborat, folosegte
integrdrii
celulei
in contextul
biologic
in
care
se afli
gi
funcfioneazl,.
Clasifrcarea
lipidelor
membranare
(Care
ilintre
lipide?
)
Prin ceea
ce
vom
include
in
rispunsul
la
intrebarea: "care
dintre
lipide?"
vom
substanlia
caracterul eterogeu al structurii
membranelor
celulare.
a
Biochitilia
descrie
o
mare diversitate de
clase
de lipide,
grupate
in doui
mari
categorii:
lipide
complexe, caracterizate
prin
prezenta
tn
structura
lor
a acizllor graqi
(acilgliceroli,
fosfogligeride,
sfingolipide, ceruri)
gi
lipide
simple
(steroizi,
prostaglandine
gi
terpene).
Ne
putem
inteba,
pe
bun[
dreptate,
daci
toate
aceste
clase
de lipide pot
fi int6lnite
in
structura
membranelor
celulare. Ei bine, r[spunsul
este: NU
In membranele
celulare
lntilnim
numai
trei
tipuri
de
lipide
pe
care
le
putem
clasifica,
in funcfie
de structura
lor
chimici
globali,
in:
1.
fosfolipide;
2.
colesterol;
3.
glicolipide.
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
3/28
Enumerarea
este
in
funclie
de
abundenla
in
care
apar.
Fosfolipidele
reprezintd
70-75Vo
dintre
lipidele
membrane,
colesterolul20-25vo,
iar
glicolipidele
l-10?o.
o
menliune
de
frcut,
in
b-seture
cu
glicolipidele
din
membranele
celuleloi
animale,
este
aceea
c6
ele
sunt
din
clasa
sfingolipidelor (vezi
despre
sfingolipide
mai
jos,
la
clasificarea
in
funcfie de
poliolul
din
sructur6).
Iati,
in
aceasta
primd
clasificare
a
lipidelor
membranare,
o
primi
dovadd
a
eterogenitifii
fipidelor
membranare.
Ideea
de eterogenitate
a
lipidelor
membranare
spore$te
insa,
daci
ne-am propune
s6
abordim
chiar
9i
numai
complexitatea
tipurilor
de
lipide
din
ilura
fosfolipidelor,
""i^"
mai
bine
reprezentate
lipide
din
membranele
celulare,
sub
aspectul
abundenpi.
Acestea
se
pot
clasifica,
in
funcfie
de
poliolul
din
structurd
?n:
(i)
fosfogliceride
(glicerofosfatide)
-dacd
poriolul
este
glicerind;
(ii)
fosfoslingozide
(sfingofosfaride,
sau
simplu
sfiisozilte)
-
dac6
poliolul
este
sfingozini,
de fapt
un
aminodiol
cu
un
lanl
alifatic
(aceasta
inlocuiegie
unul
ditre
acizii
graqi
din
coada
hidrofobd
a
fosfolipidelor
rezultate,
cel
de
al doilea
fiind
inserat
printr-o
legdtura
amidici
Ia
gruparea
amino
a
sfingozinei).
Dar
eterogenitatea
fosfolipidelor
membranare
nu
se
termin[
aici.
Ea
se
nuan
eazL pi,n
analiza
detaliilor
referitoare
la
structura
lor
chimicS.
in
cele
ce
urmeaz6,
vom
discuta
deipre
eterogenitatea
structurald
a fosfogliceridelor,
dar
menlionam
ci
unele
aspecte
se
extin;
gi
urupru
sfingozidelor.
-
Structura
de
principiu
a
unui
fosfoglicerid
este
reprezentatd
grafic,
in
mod intuitiv,
in
Fig.
l.
Seobservicdpe
scheletul polialcoolului
(glicerina)
se
afld grefati
pe
de
o
parte
(lahidroxilii
din
pozigiile
I
9i
2)
doud
lanfuri
alifatice
provenind
de la
acizii gragi
eiterificali
cu gruparile
hidroxil
(acestea
formdnd
coada
hidrofobd
a
lipidului
membranar),
i*
p"
de
altr
purt"
[tu
iia.oxilul
din
pozifia
3)
o moleculi,
notatl
simbolic
cu
X,
atagatd prin
intermediul
unei
giupiri
fosfat,
impreund
formdnd partea
esenfiald
a
capului
hidrofil.
Fig.
1.
structura
schematici,
de
principiu
a
unui
fosfoglicerid.
in
verde
este
reprezentat
miezul glicerolului;
in
galben'sunt
reprezentaie
lanfurile
alifatice
ale
acizilor gragi; cu
X,
in
albastru,
esteieprezentata
p;rtea
variaoiu
iin
capul
hidrofil.
In
funcfie
de restul
X
din
capul
hidrofil,
fosfogliceridele
se
impart
in:
(i)
fosfatidilcoline
(prescurtare
intemafionald
PC,
denumire
uzuali
lecitinl),
c6nd
X
este
colini
(Frg.
2);
(fi)
fosfatidiletanolamine
(pE),
X
fiind
etanolamini;
(iii)
fosfatidilserine
(PS),
la
care
X
este
serind;
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
4/28
(iu)
fosfatidilinozitoli
(P ,
in
care
X
este
inozitol;
(v)
acid
fosfatidic
@A),
cu
X-ur
fiind,
simplu,
un
atom
de hidrogen.
Echivalentul
fosfatidilcolinelor
pentru
sfingofosfolipidele
membranare
sunt
sfingo-
mielinele
(SM).
De
amintit
aici
(pentru sporirea
ideii
he
ercrogenitate
a
fosfolipidelor
membranare)
9i:
/)
fosfolipidele
in care
doud
molecule
de
acid
fosfitidic
sunt
condensate
la
hidroxilii
laterali
ai unei
a treia
molecule
de
glicerina,
structurdnd
cardiolipine (difosfatidil
$" "oti),
(fosfolipide
specifice
membranei
mitocondriale
interne);
2) fosfoliiidele
echivalente
fosfatidilcolinelor
sau
fosfatidiletanolaminelor,
care
in
pozilia
I a
glicerinei
au
iterificat
un
alcool
gras
nesaturat
cu
dubla
legaturi
intre
Cl
gi
C2,
numite plasmalogene
gi
reprezentind
-lyVo
dintre
fosfolipide
in
creier,
mugchi,
testicol,
rinichi.
De
remarcat
ca
in
mugchiul
cardiac
nivelul
plasmalogenilor
ajunge
la
50vo
specul0ndu-se
cd
ar
putea
proteja
miocardul
fale
de
efectul
radicalilor
oxigen
singlet.
CAt
privegte
abundenfa
sub
care
tipurile
de
fosfolipide
apar
in
structura
bistratului,
pC,
sM,
PE
5i
PS
sunt
majoritare,
reprezentad
fiecare
intre
20
gi
zsur.
pI
9i
pA
reprezinti
pinala
l?o
fiecare;
ln
ciuda
acestui
fapt
(sau
poate
tocmai
de
aceea)
aceste
doud
fosfolipifu
,urt
implicate
in
procese
celulare
deosebit de
importante (vezi la
,.Rolul
lipidelor membranari").
Fig.
2.
structura
fosfatidircorinei
(1-stearir-2-oreir{osfatidircorini).
Lecitina,
denumirea
uzuall
a
acestui
fosfoglicerid,
vine
de
la
cuvAntul
)uf*0oq,
lekithos
care
in
limba greaci
inseamnd
gdlbenug
de
ou, intrucat
acesta
are
un
conlinut
foarte
bogat
de
lecitinS.
Ne
afldm
acum
in
situafia
de
a
putea
puncta
aspecte
legate
de
dispunerea
asimetrici
a
fosfolipidelor
in
membrane
(Fig.
3).
Experimental
s-a
dovedit
"a
pc
qi
sM
sunt preponderent
distribuite
in
foifa
externd
a
bistratuluirin
timp
ce
PE,
PS
pi
pI
sunt,
dupe
datele
existente
p6ni
in
prezent,
exclusiv
in foila
internd.
Mai
mult,
aparigia
Ps
tn roila
externe a
uisuafrrtui reprezinta
o
dovadr
timpurie
a
intrrrii
celulei
?ntr-un
proces
apoptotic.
De
usemenea,
activarea
plachetelor
sanguine
este
insolit6
de
aparilia
PS
in
foitra
extirna
a
bistratului
lipidic
membranar
[l].
colesterolul
este,
tn
general,
egal
distribuit
intre
ambele
foip
ale
bistratului.
cri"oripio"ie
se
afli
numai
in
foila
externd
a
bistratului
lipidic..
De
curind,
distribu,tia
asimetricd
a
iosfolipidelor
bisnaului
lipidic
membranar
este
investigat[
in
anumite
patologii
[2,
31,
afectarea
ei fiind
insolitr
de
defecte
in
funcfionarea
normal5
a celulelor.
\-
u;
o.op
d-o
)
9
)
o=:
)i
)\
\(
iq
I
i
(
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
5/28
SPATIUL
EXTRACELULAR
ffi$effieffi$ffiM
CITOSOL
Fig'
3.
Lipidele
membranare
sunt
asimetric
distribuite
intre
cele
doud
foile
ale
bistratului.
semnificafia
simbolurilor:
\
-
cotesterot;
fi
-fosfatiditcotini;
1
-fosfatiditetanotamini;
[
-
fosfatidirserini;
ft
-.riigori.rin.,
$
-gricoriJiJ.
h
ldeea
..1
'
-
eterogenitaili
r8[rotlpia tor
membranare
este
substanliatd
gi
de
diversitatea
tipurilor
de
acizi
grapi
care
intra
in
structura
lor.
Acegtia
au un
num5r
par
de
atomi
de carbon
cuprins
inlr.e
12
qi24
(cn-Cz+).La
cei
cu
mai pufin
de
12
atomide
carbon
solubilitatea
ln
apd
a
Iipidelor
pe
care
Ie
formeazi
cre$te
prea
mult,
ceea
ce
poate
afecta
integritatea
bistratului gi
rolul
de
barierd
al
acestuia.
eciziigraii
cu
mai
mult
de
24
de
atomi
de
ca6on
in
moleculd
sporesc
prea
mult
hidrofobicitatea
tiiiaetor,
ingroagd
bistratul
reduc6nd
eficienfa
sub aspectul
proprietdlilor
de permeabilitate
seiectiva
gi
ii
reduce
fluiditatea
prin
cre$terea
interacfiunilor
la
nivelul
cozilor
hidrofobe.
Agadar
din
motive
de
eficienf6
in
funcfionare
acizii gragi
evidenfiafi
a structura
lipidele
membianare
confin
intre
12
gi
24
de
atomi
de
carbon.
Ei
pot
fi
acizi gragi saturafi
sau
nesatura{i,
cu
catena
hidrocarbonati
neramificatd.
in
ceea
ce
priveEte
pozi{ionarea
lor
in structura
glicerofosfatidelor
putem
face
urmdtoarele
aflrmafii:
1'
tn
pozilia
I
a
glicerinei,
de reguld,
se
afld
esterificat
un
acid
gras
saturat.
Cei
mai
des
intAlnili
sunt
(i,)
Cqa,
acidul
miristic,
(ii)
Crc,
acidul
palmitic
qi (iii)
c1s,
acidul
stearic.
O
ordine
a
frecvenfei
sub
care
apar
ar
fi:
Cro
>
C,, >
C,o.
2'
ln
pozilia
2
a
g.licennei,
de.
reluld,
este
esterificat
un
acid
gras
nesaturat.
cei
mai
des
intalni$
sunt
(i/
Crr,r',
acidut
oleic,
(ii)
C1s,2,
acidul
linoleic
Ai
(iii)
C,ss,
acidut
Iinolenic.
Trebuie
sd
amintim
aici,
pentru
rolul
sdu
deosebit
de
important
tii)';,,Rolul
lipidelor
membranare ),
acidul
arahidonic,
sau
acidul
eicosatetraenoic
(czo:+).
De
menfionat,
in
incheierea
acestui
comentariu,
cd
acizii
gragi
din
sfingolipide
sunt,
de
regul6,
saturafi.
Inainte
de
a
trece
la
aspecte
mai
detaliate
asupra
organizarii
lipidelor
la
nivelul
membranelor
qi
cum
aceasta
se rdsfringe
asupra
comportamentului
bistratului
lipidic
ai
funcfionalitifii
sale,
merit5-
de
punctat,
p nt*
o
ultimd
aigumentare
a
amplei
eterogenitdli
a
lipidelor
membranare
faptul
cd,
ludnd
in
tonsiderare
cele
do ua
poritii
a
ert rin u.
giJour. i
2
in
simbolistica
notlrilor
abreviate
a acizilor graqi,
prima
cifri
din
indicele
inferior
reprezintii
numIrul
de
atomi
de
carbon
din
moleculd,
.:
reprczintf,
simbolul pentru
prezenta
dubtelor
legituri,
iar
iau
u
Jrr.
rlrirezinta
numtrrul
a
arul -r gutm
aln
molecultr'
In
biochimie
notaliile pot
fi
muh
rnai
detaliate
p.itru
indicar a
rrprin*,ui
a
pozi;iei
dublelor
leglturi
in lanful
alifatic,
insl
in economia
discufiei
noastre
5i
in
infelegerea
implicagiilor
biologi ,
u..ri
I.mlii
nu
sunr
semnificative.
5
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
6/28
20
de acizi
gragi
mai
des intAlnili,
num6rul
de
diverse
fosfolipide
din
fiecare
tip
(pCJE,
pS,
pI,
SM)
poate
atinge
valoarea
de 400.
Bineinleles
cd
aceste
valori
teoretice
nu
se regdsesc
in
realitate
dintr-o multitudine
de
motive
de constrangere
specifice
sistemelor
biologice.
Structura
de
bistrat
rezolvd dezideratul esenfial
al organizdrii
membranei (De
ce
bistrat?)
Vom incerca
sd
precizSm
aici
cdteva argumente
logice
pentru
a rdspunde
intrebarii
,pe
ce
bistrat? .
Bistratul
este
cea
mai simpld
structurare
a
lipidelor
care
poate
inchide
un
volum
mare
de
mediu
hidrofil,
spre
a-l
separa
de
un
altul,
tot
hidrofil
(capetele
hidrofile
la
exterior, put6nd
acomoda cele
doud
medii hidrofile;
cozile hidrofobe
in interior,
in
ad6ncimea
structurii,
conferind
rolul
de barierd). Agadar
este o
structur[ care
poate
corespunde
dezideratelor
celulelor
de
a fi
separate de
mediul
inconjuritor
gi
de
a-gi menfine
intr-o
manierl
eficientd
homeostazia
intern6.
Asamblarea
in bistrat
se
poate
face
spontan,
fiind
deci
favoizatienergetic,
iar
bistratul
nu
poate
prezenta,
din
considerente
termodinamice,
capete
libere.
Acest
lucru
conferi
membranelor
tenacitate in
pdstrarea
integrititii
structurale
gi
refacerea
rapid6
a acesteia
chiar
in
cazul
unor
distrugeri
datorate
agresiunilor
mecanice.
Structurarea
sub
formd
de
bistrat
gi
dispunerea
asimetricd
a componentelor
acestuia
conferi
proprietdli fizico-chimice diferite celor
doud
fefe ale
membranei;
mai mult,
asiguri
comportament
independent
celor doud
fe,te
ale membranei,
dar
gi
solidar,
atunci
c6nd
nevoile
celulei o cer,
aceasta
av6nd
cdile
de
a
controla
comportamentul
(independent,
sau
solidar)
al
componentelor
membranare.
Stareafizicd a
bistratului lipidic
Discufia
asupra
stirii
fizice
a bistratului
lipidic
igi
propune
si
ne
dea
o imagine
intuitivi
privind
efectele
structurii
bistratului
asupra funcfionirii
membranelor.
Bistratul
lipidic
este
fluid,
intr-o continud
dinamic[, cu
efect
asupra
inter-relafiilor
dintre
moleculele
care
il
compun,
inter-
relalii
care sunt
intr-o
permanent[
modificare.
Fluiditatea
bistratului
lipidic
este
o rezultant1
a
diverselor
posibilitdfi
de
migcare
a lipidelor ce
il
alc[tuiesc.
tn
ce
constil
aceasti
diversitate?
Lipidele
membranare
pot
executa urmdtoarele
tipuri
de migcdri:
1.
Mipclri
intramoleculare,
pe
care
lipidele le
realizeazd,in
raport cu propria
lor structurd
(in
raport cu
propria
lor
axd), spafiul
ocupat
de
ele
putdnd
fi
aproximat
cu
un
cilindru
al
cirui
bazi
are o suprafalS
de
-60
A'
{razd
de
-4.4
A)
gi
cu
indltimea
de
-30
A.
Aceste
migcrri
pot
fi:
o
De rota{ie,
cu o frecvenld
de
lOe
rotalii/s;
aceste
migcdri
izvordsc
din
capacitatea
lanfurilor
acizilor
graEi
de a
se
roti
in
jurul
legdturilor
C-C,
capacitate
care
se
iasf.ange
asupra
comportamentului
intregii
molecule, prin
cuplurile
de forfe
pe
care
le
indui;
rezultanta
acestui
,,zbucium
intern
molecular
este
migcarea
de
rotafie
a
moleculei
lipidice
in ansamblu.
o
De flexie
a cozilor
hidrofobe,
cu
o
frecvenld
de 108
flexii/s;
aceste
miqcdri
trebuie
inlelese
tot
ca
rezultat
al
migclrilor
din interiorul
moleculelor
de lipid,
la nivelul
cozilor
hidrofobe
ale acizilor
gragi
nesaturafi,
care, datoriti
impiedicdrilor
datorate prezen.tei
celuilalt
acid
gras
Cin
structuri, nu
pot
executa,
de reguld,
dqc6t
migc6ri
asemdndtoare
gtergitorului
de
parbriz; efectul la
nivelul intregii molecule
este acela
al
migcdrii
de flexie
a
oiii.
.
Migciri
intermoleculare,
care
implicd
schimbarea
pozi{iei
moleculelor
de
lipid
unele
in
raport
cu
altele. Acestea
pot
fi:
r
Mi$ciri
de
transla{ie
(difuzie
lateralS),
miEcdri
ale
lipidelor
in
planul
membranei,
in
aceiaqi
foitl
a
bistratului,
unele
printre
altele; frecvenfa
acestei
miqclri
este
de 107
schimbiri
de
direclie/s. Trebuie
menfionat
faptul
cd
prezen[a
colesterolului
in
bistrat
determind
o
diminuare
a
mobilitdlii
laterale.
r
Mi$ciri flip-flop ,
adicd
migclri
de
trecere
a
lipidelor
dintr-o
foild
a
bistratului
in
cealalti;
aceste
migclri
presupun
o risturnare
a
moleculei
in
planul
membranei,
pentru
a-
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
7/28
gi
pistra
capul
hidrom
U
"*t"
f*::":^tl*:Y:.rymbranei;j*"y:ltu..u:estor
miscdri
este
foarre
micd,
practic
nultr
(o
datd pe
luni
pentru
fiecare
moleculi
individuali),
.ru
""
pur"
logic;
exista
,r*ii
"
ndomembrand
la
niverul
-cdreia
migcarea-
de
,,flip-flop"
* lo"
frecvent
gi
anume
membrana
reticulului
endoplasmic
(v
ezi
ra
"Reticulu I enaoprasmic;;y.
Revenind
la
tema
acestei
secliuni,
sE
punctdm
cf,
absenla
practicd
a
migcdrilor
..flip-flop,,
explici
bidimensionalitatea
stirii
fluide
a
bistratului
lipidic,
siructura
de
bazd.
a
membranelor
celulare'
Migcirile
lipidelor
se
manifestd
practic
numui
in
cadrul
aceluiagi
strat
al bistratutui.
Deasemenea,
frecvenfa
extrem
de
redusd
a
migcdrilor
"flip-flop"
are
ca
efect
menflnerea
distribufiei
asimetrice
a
moleculelor
de
lipide
in
ceie
doua
straturi,
distribufie
construita
de
celula
cu
mare
consum
energetic
odat6
cu
biogeneza
de
novo
a membranelor
(vezi
la
.Reticulul
endoplasmic").
Manifestarea
bidimensionaid
a
fluiditarii
bistratului
lipidic
d6
membranei
celulare
caracterul
de
structura
cu
proprietrti
mezomorfe,
proprietifi
specifice
cristalelor
lichide.
Acest
comportament
mezomorf
este
accentuat
de
capacitatea
lipidelor
de
a structura
microdomenii
bogate
in
sfingolipif
(nart9
dintre
ele glicolipide),
cotesterot
gi
anumite proteine
membranare.
Aceste
microdomenii
sunt
denumite
"plute
tipidice"
(lipid
rafts)
gi
au
deosebita
importan
d, atdt
structurala (organiznazd
structuri
specializaie
ale
me]rnbranei,
cum
ar
fi
caveoi"l.;,
.at
gi
metabolicd
-tinand
laolaltd
molecule gi
macromolecule
destinate
a
funcliona
impreund
in
complexe
supramoleculare
[4].
Pentru
a
infelege
mai
bine
;ructurarea
microdomeniilor
de
membrana,
sd
menfiondm
cr lipidele,
a$a
cum
nu
sunt
echilibrat
repartizateintre
cele
dou6
foile
ale
bistratului,
nu
sunt
omogen
amestecate
nici
in
cadrul
fiecarei
foife
a
bistratului,
ci
se
asociazi
inn-u1
mod
neomogen
pe
baza
unor
considerente
fizice.
plutele
lipidice
fie planare,
fie
invaginate
sub
forma
caveolelor
(numite
vezicule
plasmalemale
in
celula
endotelial6)
se
caracteizeazd
printr-o
fluiditate
mai
micd
?n
comparalie
cu
restul
bistratului.
prezentaplutelor
9i0t9e
gi
eterogenitatea
lor
suslin
gi
nuanfeazd
ideea
de
mozaic
nriJ
r
r.g-irariiii"#ur*"ror.
Plutele
lipidice pot
fi
asemuite
unor
sloiuri
de
forme,
dimensiuni
qi
organizdri
variate
ce
plutesc
in
oceanul
lipidic
mai pulin
specific
organizat.
caveolele
reprezinia
o Iorme
de
plute
lipidice,
ce
se
dispun
individual,
sau
in
ciorchini
la
nivelul
membranei.
Eterogenitatea
plutelor lipidice
a
fost evidenliatd
prin
interpretarea
rezultatelor
diferitelor
metode
de
obfinere:
-
diferili
detergenli
neionici;
-
sonicarea
preparatelor
de
membrane
gi
analizarea
fracfiunii
ugoare;
-
analizeimunocitochimice.
Degi
rezultatele
experimentale
sunt,
in
anumite
limite,
variate,
suger6nd
diversitatea
compozilional5
a
plutelor
lipidice,
se
pot
totugi
extrage
cdteva
caracteristici
generale:
-
colesterolul
este
de
3-5
ori
mai
abundent
dec6t
in
restul
membranei
gi
reprezintd
33-50Vo
din
totarul
lipidelor
ra
acest
niver;
-
sfingolipidele
(SM
9i
glicolipidele)
sunt
imbogr{ite
gi
reprezint6
30-35vo
din',e
lipidele
din plute;
glicerofosfolipidele
sunt
srmc
'epreientate
(in
comparafie
cu
restul
membranei)
;
s30vo pentru
PC
+
PE,
fald
de
-50Vo
inrestul
membranei;
-
linidgl,e
specifice
foipi
interne
a
bistratului
(ps,
pD
sunt
slab
repr#ntate
la
nivelul
plurelor
lipidice;
-
in foifa
internd
de
la nivelul
plutelor,
lipidele
conlin preferenfial
acizi
gragi
saturafi
(asta
ar
putea
realiza
necesarul
derigiditate
corespunzltor
celei
a
foilei
externe,
unde
sfingolipidele
sunt
bogat
reprezentate).
Anticipdnd,
vom
merliona
aici
cd
plutele
lipidi-ce
sscaracterizeazi
gi
prin
capacitatea
de
1
1s-lgmera
anumite
tipuri
de
proteine
membranare.
AEadar,
menfionand
inc6
odati,'irgnirar"a
lipidelor
membranare
in
microdomenii
accentueazd
aspectul
de
mozaic
fluid
al
membranelor.
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
8/28
+.
In ciuda
acestor
organizdri
eterogene,
capacitatea
lipidelor
de
a
se
migca
in
"aa*t
istratului este doar nuanfatii
pe
intinsul
suprafelei
membranei
Ei
nu
anulata.
AceastA
capacitate
de
miEcare
a lipidelor
in cadrul
membranei
determind
proprietatea
membranelor
numit6
tluiditate.
Fluiditatea
membranelor poate
fi
modulatd (modificati,
reglat6)
de
mai
mulli
factori.
Acegti factori
pot
fi
de
naturd
frzicd,
sau
chimici.
Ca factori
fizici
amintim
temperatura
gi
presiunea.
Fluiditatea
membranelor
este
direct
proporfional6
cu
temperatura qi
invers
proporfionald
cu
presiunea.
Efectivitatea
acestor
factori
fizici
in
modularea
fluiditdtii
membranare
este
insi
limita6,
dupi
cum
u$or
ne
putem
da
seama.
Nici
presiunea
gi
nici
temperatura
nu
pot
varia
larg
in condilii
fiziologice.
Mult
mai
pregnant
este
efectul
factorilor
chimiii
in
modularea
fluiditdlii
membranei.
Acegtia,
in funcfie
de
provenien 6,
se
pot
clasifica
in
(i)
factori
chimici
intrinseci,
sau
(ii)
factori
chimici
extrinseci.
Factorii
chimici intrinseci,
pe
care
celula ii
folosegte
in
modularea
fluiditdfii
membranei
in
funcfie
de
necesitdli,
sunt cantitatea
de
acizi
gragi
nesaturali
din
structura
fosfolipidelor,
sau
a
glicolipidelor
gi/sau
cantitatea
de colesterol
din
structura
bistratului.
Fluiditatea
membranei
este
direct
propo(ionald
cu
procentul
de acizi
gragi
nesaturafi
din structura
lipidelor
bistratului
(cregte
cantitatea
de
acizi
gragi
nesaturafi,
cregte
gi
fluiditatea),
in
timp
ce
cretterea procentului
de
colesterol duce
la
rigidizarea
membranei
(micgorarea
fluiditefii).
Agadar,
fluiditatea
membranei
este
invers
propo(ional[
cu cantitatea
de colesterol
din
bistrat.
Cum
trebuie
infelese
sugestiv
motivele
acestor
efecte
ale colesterolului
gi
acizilor
gragi
nesaturali
asupra
fluiditd,tii
membranei
celulare?
Descriptiv,
geometria
angulari
a
cozilor acizilor
gragi
nesaturafi
are
ca
efect
dep6rtarea
spafiali
a
lipidelor
gi
micporarea
interacliunilor
intre
acestea
atdt
la nivelul porfiunii
hidrofobe,
cdt
gi
al
capetelor
hidrofile.
in
ceea
ce
privegte
efectul
colesterolului,
dir
motive
structurale
(datoriti
geometriei
spafiale),
acesta
spore$te
tdria interacfiunilor
atdt
la nivelul
cozilor
hidrofobe,
cat
$i
al
capetelor
hidrofile,
anulAnd efectul
acizilor
gragi
nesaturafi.
Factorii
chimici
extrinseci
se
clasificd
la
rAndul
lor
in
(a)
fizinlagici
(hormoni
sau
mediatori
chimici liposolubili),
(b)
patologici
(metabolili
liposolubili
ai
unor agenfi patogeni,
substanle
chimice
toxice, liposolubile),
sau
(c)
terapeutici
(medicamente
liposolubite).
trrtutte
analgezice,
ca
gi
unele
anestezice,
fiind compugi
liposolubili,
aclioneazd
gi
prin
modificarea
fluiditeFi
membranelor neuronale.
Dovezi
experimentale
recente
dovedesc
fapiul
cd,
allturi
de
efectele
datorate
modificdrii
fluiditafii
membranare,
anestezicele gi/sau
analgezicele
aclion
eazd
Si
prin
modificdrile
conformalionale
induse
la nivelul
unor
proteine
transmembranare,
afectdndu-le
func[ia.
Dupi
cum
vom
vedea,
fluiditatea
membranelor
este
modulatd
gi
nuanfati gi
de
celelalte
componente
ale
membranelor: proteinele
gi
structurile glucidice.
Rolul
lipidelar
m
embranare
DupI
cum
am
ariltat
pdnl
acum, rezultd
cd, fdrd
bistrat
lipidic
nu
pot
exista
membrane
celulare.
Acesta
reprezintd
componenta
structurald
de
bazd,
a
lor,
funcfia
structurall
a lipidelor
membranare
organizate
in
bistrat
fiind esenfiald.
Bistratul
lipidic
confera
membranei
celulare
rolul
de
barierS,
aceaste menire
a
lipidelor
membranare
fiind
enunlatd
incd
de
la
dovedirea
prezenfei
lor
in
structura
membranei.
Dar
lipidele
membranare
nu
se
afli
nici
pe
departe
acolo
numai
din
considerente
structurale.
Ele
sunt
implicate
in
importante
funclii
metabolice,
acele
funclii
care unesc
celula
cu
mediul
inconjuritor,
o
integreazd pe
aceasta
in "ambianfa
biosocialf,".
Mai
mult,
echilibrul
dintre
diferitele
tipuri
de lipide
din
membrane
influenfeazd
comportamentul
normal
al
celulei,
iar
modificarea
lui
poate
atrage devialii
patologice.
De
aceea,
lipidele
membranare
pot
reprezenta
finte
terapeutice
[5].
Glicolipidele
sunt
implicate
in
fenomene
de recunoaqtere
gi
semnalizare
intercelulari
(vezi
la'Componenta
glucidici
a
membranei").
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
9/28
Detalii
referitoare
f"ff::.il"i*il:.ir:::,*.::::T",^*::,_*,,u*it"i'ioi{;;"
reguri,
aceste
modinciri
se
etrec
ca
urmare
a unor
procese
dc
semnariz*",
*;;;;;l'ifii
rezurtari
u"liorano
;#:,:il.:;
ecunzi
gi
declanqand
numeroase
procese
prin
.*'""tri;i".i,po;
semnaleror
receprate.
Exist,
ai
multe
tipuri
de
fosfolipaze,:are
au
proprietatea
a"
u
.rii"'*-diverse
molecule
din
structu.a
omplexi
a
fosfolipidelor
(Fig.
2).
Acestea
sunt:
(i)
fosfolipaza
Al
(prescurtare
international6
e) er^ea7a
yidul
gras
din pozifia
t
a
glicerinei;
(ry'
fosfotipaza
AZ
(priscurtare
iiternationUa
deta$a7,a
acidul
gras
din pozilia
Z
a
gileiinei,
lizofosfatide:
(iry'
fosfolipaza
B
(prescurtare
internafionaH
pLB),
care poate
scoate
acizi
gragi
din
ambele
pozifii
din
structura
fosfotipiieror,
cumuldnd
acriviratea
pLAl
$i
pLA2;
aclioneaza
in
il;;
supra
lizofosfatidelor.
^(iuj
fosfolip^;;
C:'
;*".9rrfu-".:
Ieg€rura
dintre
glicerind
gi
fosfat,
c
u el i
berarea
diacilgliceronf
o.
iOa
Cl
;
(v)
fosfolipaza
D,
care
ellmind
.rrui
niarl'l
X,
cu
eliberarea
PA.
Fig.'2'
Locurire
specifice
de
acfiune
a
diferiteror
tipuri
de fosforipaze,
ra
nivelut
morecureror
de
fosforipide.
er--
ioriorip
aza
A1;
A2
-
fosfo_
lipaza
AZ;
B
-
fosfotipaza
B;
C
_
tosfotip"r"
C;
O
_
fosfotipaza
D.
efectelor
punctam
urmdtoarele
ro"tarli
r"
capitolul
..semnarizarea
3
Prin
kinaze
desemntrm
acele
enzime
a
ctrror
activitate
se
soldeazi
cu
grefarea
de
fosfat
pe
diferite
substrate.
Atenlie
in
denumirea
acestorm.etabolilise
fblosesc
particuleledis,
iespectir
raril
,r?r
sau
ri,
deoarece
fiecarereziduu
fosfar
ffilTJi:$ilitli;,ig'ffX1j*#,:fi;*j'l;;'e*';;".
io,iJli'""'liil"umirea
compus,or
in
care-iosratur
se
9
(a)
Fosfolipaza
A2
poate elibera acidul
arahidonic,
carc
este precursor
pentru
patru
clase
de
ubstanle
cu
roruri
dintre
cere
mai
diverse..Acestea
a.
i*iLdondine;2.
rromboxani;3.
rostacicline;
4.
reucotrie,ne)
sunr
oblinute
prin_comprex"
;;;;;*
de
-metabori
zare
(cubagaje
nzimatice
adecvate)
a
acidului
arahidonic,
dupd
elibera."u'ru-Jin
fosfolipidele
care
il
contin.
rimele
trei
tipuri
rezultd
pe
calea
ciclooxigena
iei,
ceaa"-u
fut
u
"ras5
pe
calea
lipooxigenazei.
(b)
Fosfatidilinozitolii
sunt
implicali
in
mecanisme
de
transmitere
transmembranarr
gi
ntracelulard
a
semnalelor'
cdnd
un"t"'*oi""ule.semnal
0,g"rrii'.. leagE
de
receptorii
specifici
in
membranele
celulare,
P[
intrd
intr-o
secvenld
de
reaclii-denumita
cascada
fosfoinozitidelor
Fig'
3)' in
aceastji
cascadr
PI
sun"t
ioifui
rorro.itut"
pu,
"u
p",
i.
r"rr"inozitolfosfali
(plp),
sub
cgiunea
fosfatidilinozitol
kinazei3
pi
t
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
10/28
Dr.
Mircea l*aba
-
Lioidele
membranare,
curs oentru
studenrtitn
medicind
declangarea
unor
rdspunsuri celulare
mai
lente
gi
de
lungi
durati
(exemplu,
semnalizarea
prin
c6ile
proteinkinazei
C).
fosfatidil
inozitol (Pl)
I
-ATP
pt
kinaze
p
oo
fosfatidilinozitol-4-fosfat
(
P I
P)
I
-ATP
PIP kinazd
f
oo
fosfatidilinozitol-4,5-bisfosfat
(
Pl
Pr)
iosfolipazi C
$pqf
M
pq*ru
fasfoi
w
ilid€
P
LC-
B)
diacilglicerol(DAG)
+
transmembranarS.
inozitol- 1,
4,Strisfosfat
(l
Pr)
Fig.
3. Cascada fosfoinozitidelor.
Acfiunea
secven[ial5
a fosfatidil-
inozitol kinazelor
duce la formarea
PlPz;
Ulterior
fosfolipaza
C-p,
cu
specificitate
pentru
fosfoinozitoli,
elibereazi lP3
gi
DAG,
care sunt
mesageri
secunzi in
anumite
procese
de
semnalizare
Ca si
rezumlm
cele
prezentate
despre
lipidele
membranare
punctim:
l.
Lipidele
membranare organizeazd structura
de
bazd,
a biomembranelor,
bistratul lipidic,
structuri cu
proprietd[i
fluide, manifestate
bidimensional
Ei
caracteizat
atit
prin
eterogenitate
compozilionalI,
cdt
gi
prin
asimetrie;
2.
Bistratul lipidic
asigurd
func{ia
de
barierd
a
membranelor,
f[r[
a-i
conferi
caracter
de
barieri
absolutd, adicd
flri a
impiedica
selectivitatea
acestei
structuri in
interacfiunea
celulei cu mediul;
3.
Departe
de a
avea numai
un rol
structural,
lipidele
membranare
particip[
la
funclia
metabolicA
a
membranei
celulare in
procese
de semnalizare.
Bibliografie
specffici
1. Fox JE.
(1996)
Platelet activation: new aspects.
Haemostasis.
26: lO2-13 l.
2. Zwaal RFA,
Schroit
AJ.
(1997)
Pathophysiologic
implications
of membrane
phospholipid
asymmerry in
blood cells. Blood.
89:
I l2l-l 132.
3. Kuypers
FA.
(1998)
Phospholipid
asymmetry in health
and disease.
Curr
Opin Hematol.5:
122-131.
4. Pike,
LindaJ.
(200a)
Lipid Rafts: Heterogeneity
on the High
Seas. Biochcm
J.378,281-292.
5. Escriba PV.
(2006)
Membrane-lipid therapy: a new
apprcach
in molecular
medicine.
Trends
Mol Med.
12,
34-43.
Bibliografie
generali
1.
MOLECULAR BIOLOGY
OF
TIIE CELL,
autori:
B. Alberts,
D. Bray,
J.
Irwis,
M.
Raff, K.
Roberts,
J.D.
$Iatson, Carland
Publishing
Inc., New
York
&
London,
1989
(edifia
all-a),
1994
(editij'a
III-a),
Garland
Science,
New York, 2002
(edifia
a IV-a);
autori:
B.
Alberts,
A.
Johnson,
J.
trwis, M.
Raff,
K. Roberts,
P.Walter,
Garland Science,
New York,2008
(edifia
a V-a).
2.
MOLECULAR
CELL
BIOLOGY,
autori: H. Lodish,
A. Berk,
S.L. Zpunky,
P. Matsudaira,
D.
Baltimore,
J.
Damell,
W.H. Freeman and
Company,
New York,
2000
(edifia
a IV-a).
l0
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
11/28
PROTEINELE
MEMBRANARE
Aspecte
generale
Modelul
mozaic-fluid
de
organizare
a membranelor
biologice
ne
arate
c6,
aldturi
de
lipidele
structurate
sub
formi
de
bistrat,
la
construc,tia
acestor
componente
celulare
participa
$i
Proteinele
Raportul
mo.lecylar
intre
Iipidele
gi
proteinele."
d.atui"rc
membranele
celulare
este
in
medie
de aproximativ 50/1. Acesi
raport
este
ugor de
infeles
flnand
";ral;-frptul
ci,
de
fqo-le,compozilia
sub
aspectul
masei
de
material
organic
Ia
nivelul
membranelor
este
de
-40vo
lipide
gi
-50vo
proteine,
iar
lipidele
sunt
molecule-
cu
greutate
molecular[
mic[
in
timp
ce
proteinele
sunt
macromolecule.
Realitatea
biologici
este
insi
diversr,
existdnd
gi
excep{ii
de
la
aceste
valori.
De
exemplu
la
nivelul
tecii
de mielini,
unde
func{ia
de
barierd
a
membranei
este
esenfial[
rolului
structurii,
procentul
de
mas[
pentru
lipide
este
de
-80,
iar
cel
al
proteinelor
de
numai
-20.
Deevidenfiat,
pentru
situalia
diame 3 oPus6,
compozi{ia
de
la nivelul
membranei
mitocondriale
interne
unde
l-ipidele
reprezint[
-20?o,
iar proteinele
-80vo.
Funcfa
metabofice
a
acestei
membrane
este
deosebit
de
accentuati,
chiar
daci
ar
fi
sr
men[iondm
doar
activitatea
complexelor
proteice
imp.llcate
in
transportul-elec-tronilor
(lanful
transportor
de
electroni,
numit gi
lanful
respirator
-
ezila
cursul
,,Mitocondria"),
respectiv
activitatea
ATP-sintazei,
complexul
proteic
care
produce
ATP'
l^a
nivelul
membranei mitocondriale interne insa,
"ste
ta
fel
die
i*po.tunte
qirunclia
ae
barier5'
Poate
de aceea
aici
se
afl[
cardiolipinele,
fosfolipide
deosebite,
cdpatru
lanfuri
alifatice
in
coada
hidrofobi (patru
acizi
graEi
in
moleculi),
deci
cu proprietifi
amfifile
a
cdror
componenti
hidrofobi
este
amplificatl.
comentariile
de
mai
sus
asupra
complexit5lii
realitilii
biologice
in
privinfa
raportului
lipide/proteine
in
membrane,
ne
permit
-si
enunlim
reguli
de
principiu
care
sugereaz6
corespondenla
intre
acest
raport gi
funclionalitatea
membrun"L
A"rrt"
reguli
sunt:
(i)
cu
c6t
funciiile
metabolice
ale
unei
membrane
(sau
po4iuni
--.""u
ce
se
defineqte
ca
microdomeniu
sau
domeniu
-
dintr-o
membrand)
sunimai
accentuate,
cu
at6t
continutul
de
proteine
al
acelei
membrane
este
mai
ridicat;
(ii)
cu
cdt
rolul
de
barieri
al
unei
membrane
trebuie
sE
se
manifeste
mai pregnant,
cu
at6t
^
conflnutul
in
lipide
este
mai
crescut.
In
abordarea
studiului
proteinelor
membranare
plec[m
de
la
ceea
ce gtim
deja
despre
caracteristicile
qi
comportamentul
fizico-chimice
ale
membranei,
a$a
cum
am
vizut
cr
sunt
induse
de ins69i
prezenla,lipidelor
in
structura
debazd,bistratul
lipidic.
Completarea
cu
prteine
a
organizirii
moleculare
a
membranelor
celulare
nu'unut"-a
ci
amplificd
gi/sau
nuanfeazd
eterogenitatea,
asimetria gi
comportamentul
de
fluid
bidimensional
al
structurii.
vom
c6uta
s5
argumentdm,
prin
prezentarea
aspectelor
legate
de prezenlaproteinelor
in
membrane,
afirmafia
din
fraza
anterioari.
Pentru
substanfierea
ideii
de
eterogenitate,
vom
proceda
la
aceiagi
strategie
folosit[
la
prezentarea
eterogenitefli
lipidelor
membranare:
discutaria
diversita,tii
ae
tipu.i
ie
proteine
in
membrane
prin
clasificarea
lor pe
diverse
criterii.
Clasificdri
ale
proteinehr
membranare
o
primn
clasificare
a
proteinelor
membranare
se
face
in
funcfie
de pozifia
lor
fatd
de
bistratul
lipidic,
care
permite
impdrfirea
acestora
in
doui
mari
categorii:
1'
Proteine
periferice,
sau
extrinseci:
acele proteine
care
se
afld
atagate
de
o
parte
sau
de
alta
a
bistratului
lipidic,
interacfiondnd
cu
&petele
hidrofile
ale lipidelor;
2'
Proteine
integrale,
sau
intrinseci:
acele proteine
care
sunt
cufundate
in
bistratul
lipidic,
strlbatdndu-l
complet
sau
partial.
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
12/28
Dn
Mircea
Leabu
-
Proteinelc
membranare.
curs
pentru
studentii
in
medicind
Eviden$erea,
descrierea
gi
denumirea
acestor
doud
categorii
de
proteine
membranare
au
fost
fhcute
in deceniul
opt al
secolului
XX,
la
numai doi
ani
dupa
introducerea
modelului
mozaic
fluid
privind
organizarcamembranelor
I
I
].
Protcinele
periferice
reprezint5,
in
general,
-25Vo
din
proteinele
unei
membrane,
se
exEag
din
membran[
cu
solutii
saline
sau
agenfi
chelatori,
au
caracter
hidrofil,
dup6
extragere
nu
sunt
asociate
cu
lipide
9i
igi
pistreazd
solubilitatea
in
ap6.
in
funclie
de
foi(a
UistratutuilipiOic
cireia
?i
sunt asociate
se
clasific[
in (i)
ectoproteine
(proteine
periferice
asociate
foi,tei
externe
a
bistratului,
agadar
expuse
la
exteriorul
membranei
celulare
sau pe
fala
luminall
a membranelor
organitelor)
gi
(ii)
endoproteine
(proteine
periferice
asociate
foifei interne
a
bistratului,
agadar
expuse pe
versantul
citoplasmatic
al membranelor
Ei
endomembranelor).
Au fost
evidenfiate
ataqiri
mai ferme
ale
proteinelor
periferice
la
bistratul
tipidic, prin
conjuglri
(stabilirea
de legituri
covalente)
cu
componente
lipidice.
Pentru
unele
ecto]roteine
a
fost
evidenliatd
o
cuplare
prin
carboxilul
terminal
la
gruparea
amino
a
etanolaminei
din
cap6tul
liber
al
structurii
glucidice
al
glicofosfatidilinozitolilor.
Fenomenul
se
nume$te
glipiare
t1-a .
Partea
lipidici
r6mdne
in
foila
externe
a
bistratului
gi
poart[
numele
de
ancord
glitofosfatidilinozitolicd.
Nu
sunt
deocamdati
clar
elucidate
funcsiie
acestor
proteine
modificate
prin
glipiare.
Unele
dintre
endoproteine
se
pot
asocia
tranzitoriu
gi
reversibil bistratului
lipidic
prin
reaclii
de
acilare
(miristilare,
palmitilare,
farnesilare,
geranil-geranilare),
radicalul
acil
fiind
cufundat
in
foila
interni
a
bistratului
[2]
(vezi
CASETA).
Aceste
modificiri
reversibile
sunt
importante
pentru
exprimarea
functiilor
acestor
proteine.
Mai
mult,
unele
dintre
ele,
cum
ar
fi
proteinele
G mici
pot
tranzita,
pe
baza
acestor
modificiri,
din
starea
de
protein6
citosolici
in
starea
de
protein[
periferici
pentru
exercitarea
func{iilor
(vezilasemnalizarla
celulari).
CASETA.
Proteinelecareigiexercit6func[iabiologiciexclusivpeunaoi,.@toi
lipidic
sunt adesea
asociate
de lipidele
membranare
din
monostratul
lipidic
expus
fie
mediului
extracelular,
fie
celui intracelular.
De exemplu,
o
serie
de
proteine
intracelulare
(endoproteine)
cu
rol
in
transmiterea
semnalelor
din
mediul
extracelular
in
citosol
se fixeazi
covalent
de lipidele
membranare
pe
fala
citoplasmatic[
a
membranei
plasmatice.
Fixarea
covalentii
a
proteineior
se
poate
realiza
de catenele
acizilor
gragi,
fie
de
gruplri
prenil
(famesil
sau
geranil-geranil).
Astfel,
au
fost
eviden$ate
urmitoarele
modalitl{i
de
ataqare
covalenti
a
proteinelor
nilarosotuUite,
dupi
sinteza
lor
in
citosol,
de lipidele
membranei
plasmatice:
(;)
miristilarea,
prin
formarea
unei
leg[turi
amidice
intre
gruparea
amino-terminald
apa(indnd
unui
rest de
glicind
ie
la
capdtul
catenei
polipeptidice
gi gruparea
carboxil
a unui
acidului
miristic; (ir)
palmitilare,
formarea
unei
legdturi
tip
tioester
intre
un
rest de
cistein[
din
interiorul
catenei polipeptidice
gi
gruparea
carbJxil
a
acidului palmitic);
(iii)
prenilare,
const0nd
in
formarea
unei
legdturi
tioeter
intre
un rest
de cisteind
(pozilionat
inilial in
pozilia
a
patra
de la
capltul
carboxi+erminal
qi
ulterior
in
pozifie
terminald,
dupi
fixarea
de
gruparea
lipidicd
gi
clivarea
celor
trei
aminociii
de
la
extremiiatea
catenei
polipeptidice)
qi
o
grupare
prenil (3-metil-2-buten-t
-il).
Deseori
ata$area proteinei
printr-o
singurl
ancord
lipidicl
nu
este
suficient
de ferma,
fiind
necesard
fixarea
suplimentarl
de
o ancori
lipidicd
secundard.
De
exemplu,
membrii
famiiiel
de
proteine
Ras
(proteine
G
mici
cu funcfie
GTP-azicd,,cu
rol
in
semnalizare)
sunt recrutate
la
nivelul
membranei plasmatice
prin
fixarea
de
o grupare prenil
iombinat[
cu
fixarea
de
acidul
palmitic).
Prenilarea proteinelor
este
mediat[
de
trei
tip_yri
de
enzime,
respectiv
farnesiltransferaza
gi
geranilgeraniltransferazele
de tip
I
qi
II. in
ultimii
ani
inhibitorii
farneziltransferazei
s-au
dovedit
candidaf;
terapeutici
importanfi
pentru
tratamentul
unor
forme
de
cancer
gi
al unor
infec,tii
cu
parazili
aparfinind
Senul_ui
Plasmodium,
agentul
infec$os
al malariei,
gi genului
Trypanosoma
(specia
T.
brucei),
agentul
infecfios
al
,,bolii
somnului".
De menfionat
ci at6t
proteinele
membranare
acilate,
cdt
gi
cele
glipiate
au tendinta
de
a se
acumula
in
caveole sau plute
lipidice
(microdomenii
de
membrana
difinite gi
discutaie
pa4ial
mai
sus
la
lipidele
membranare).
Proteinele
integrale
reprezinti,
de
regul[,
-75Vo
din
proteinele
unei
membrane,
se
pot
extrage
din structura
bistratului
lipidic prin
folosirea
de detergenfi
(adicn
dup[
distrugerea
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
13/28
integritr{ii
bistratului
lipidic),
dupi
extragere
rimdn
asociate
cu
lipide,
sunt
insolubile
in
ap6
(dializarea
detergentului
duce
la precipitarea
lor prin
floculare)
qi
au
caracte,
u11ntn (porfiunea
hidrofobi
fiind
reprezentatd
de
zona
imersatd
in
bistratul
lipidic,
po4iunea/po4iunile
hidrofilr/tridrofi
le reprezentdnd
structurile
expuse
in
afara
bistratului
lipidic).
Proteinele
integrale
care
traverseaz[
complet
bistratul
lipidic
sunt
denumite
proteine
hansmembranare
gi
reprezinti
cea
mai
,*
purt
u
prot in tor
intrinseci.
Cele
care
sunt
pa4ial
cufundate
in
bistratul
Iipidic
nu
au
primii
o
denumire
specifici.
Mai
mult,
acestea
din
urmr
au
fost
considerate
panr
prin
ultimul
ieceniu
al
secolului'XX
a
fi
p.u ti
i.Lristente.
se
spea{a
in
favoarea
acestei
idei pe
considerente
structurale
gi
termodinamice.
Explica{i
a
era
cE
nu
p-utea
fi
adoptati
9
1*
aceste
proteine
o
conformape
care
si
asigure
hidrofobicitate
in
por{iunea
de pliere
a lanfului
polipeptidic
in
interiorul
uistratuiui
rrpror lT,
nlo?Lrur
de fat[
sunt
cel
pufin
doud proteine
integrale
candidate
Ia
imersare
par,tial6
in
bistratul rtr#]i
rnembranelor
clrora
le
aparfin:
citocromul
D5
din
membrana
reticulului
endoplasmic
ai
aveolina,la
nivelul
membranelor
celulelor
ce
pot
structura
caveole
ca formagunispecializate
de
membrand
(de
exemplu
celule
musculare
netedi,
celule
endoteliale,
nt r*ii
rci-schimuarea
titudinii
comunitdf,i
-
stiinfifice
in
privinfa
acestei
riiuu6i,
oupa
,uport* ,
dovezilor
experimentale
legate
de
aranjamentul
ielor
doud
proteine
in'membiun ,
rt
un
exemplu
al
dinamicii
cunoagterii
in
biologia
celulard
qi
al
modulul
rapio
in
care
conceptele
pot
evolua
in
acest
domeniu.
Revenind
la proteinele
transmembranare,
acestora
li
se
definesc
trei
domenii
structurale:
(i)
un
ectodomeniulporfiunea
expus6
pe
versantul
extern
al
membran
ei),
(ii)un
endodomeniu
(poqtiunea
expus[
pe
versantul
intem
al
membran
ei)
qi
(iii)
un
domemniu
transmembranar
(po4iunea
ce
stribate
bistratul
lipidic).
in
ceea
ce
priveEte
modul
de
organizare
structura6
a
ecto-
qi
endodomeniilor
lan$rile
proteice
se
pot
impacheta
in
aceste
zone
atdtin
po4iuni
de
o-
helixuri-cdt
9i
in
p-pliuri,
aga
cum
se intdmpli
cu
toate
prot in.t .
situalia
este
oarecum
diferit'
penru
domeniul
transmembranar.
Pentru
acesta,
pdna
prin
deceniul
9 al
secolului
XX,
a
existat
rccepSunea
ci
nu
poate
fi
structurat
decdt
sub
formr
de
o-helix,
astfel
incdt
sa
poata
ri
mascate
citre
axul
acestuia
por.tiunile
hidrofile
ale
lan-tului
polipeptidic,
iar
Ia
exteriorul
,eu
,e
fie
expuse
par'tile
hidrofobe,
acomodabile
cu
hidrofobicitaiea
'oin
prorun
zimea
bistratului
lipidic.
se
ustifica
5i
in
acest
caz prin
considerente
de
ordin
structural
gi
termodinami .
ir
,i*p
ins6,
au
fost
identificate proteine
transmembranare
care,
la
nivelul
domeniului
transmembranar
,
prezintil
ftpliuri
orientate
in
contrasens
care
se
organizeazd,asemenea
doagelor
unuiurroiui
fn
acest
fel
fiocare
doagr
(B-pliu)
expune
cdtre
zoiele
hidrofobe
ale
bistratului
suprafa{a
hidrofob,
gi
ascunde
c6tre
interiorul
butoiagului
componentele
hidrofile
din
structura
lanfului
polipeptidic.
Asemenea
proteine
se
intalnesc,
de
eximplu,
in
membrana
mitocondriali
externa
formand
porine'
Descifrarea
structurii
porinelor
a
reprezentat
un
alt
exemplu
de
schimbare
de
atitutine
pe
care
evolufia
cunoagterii
realitilii
biologice
a
impus_o
orunitalii
gtiinfifice.
Proteinele
trans.mempranare
se
pot
clasifica
gi
pe
baza
alior
criterii.
Astfel,
in
funcfie
de
numrrul
de
treceri
ale
lantului
polipeptidic
prin
planuim *u.*i
ele
se
impart
in
(i)
unipas
(o
singure
trecere)
si
(ii)
multipaJ(mai
multe
treceii).
Este
lesne
de
in(eles
ci
proteinele
structurate
cap-pliuri
la
nivelul
domeniului
transmembranar
(porinet )
nu pot
ri
u;;^:ffi;.i;
pozilta
capitului
amino
al
lanfuluipolipeptidic,
proteinele
transmembranare
se
clasificd
in
(l)
proteine
transmembranare
de
tipul
I
(cdnd
caprtul
amino
se
afld
in
ectodomeniu)
gi
(ii)
proteine
transmembranare
de t
p f
JI
(c6nd
caprrur
amino
se
afli
in
endodomeniu).
Toate
aceste
clasificrri
ne
sugereaz[
marea
diversitate
de
proteine
membranare,
astfel
incit
este
clar
cd
prezenfa
proteineloiin
structura
membranelor
respectr
caracterul
eterogen
al
stucturdrii
lor,
nuanfdndu-I.
in
acelaqi
timp
existenta
ecto- gi
endoproteinelor
(firesc
entit[ti
moleculare
diferite,
rezultat
al
unor
fenomene
diferite
de
biosintezd
gi
asambl* )
;#$
simetria
structurali
a organiztrii
moleculare
a membranelor.
Mai
mult,
asimetria
membranelor
este
accentuata
9i
de
prezenfa
proteinelor
transmembranare
cu
ectodomeniul
diferit
de
endodomeniu,
ca
gi prin
caracterul
asimetric
al
organiz[rii
ranprui
polipeptidic
crruia
ii
putem
asocia
caracteristici
vectoriale
(origine,
directie,
senr;,
.t i*-au r
similitudinea
nu
trebuie
-
8/9/2019 Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor
14/28
Dr.
Mirreo ltobu
-
Prot
inrle
*embra*rr,
rurs
orut
u
stlrdrnfrito
mrdiciod
in(eleasl
in sensul
strict
algebric.
Originea
unei proteine
poate
fi
convenlional
atribuit6
capdtului
amino-terminal,
direclia nu
este
deloc
una
rectilinie,
iar
sensul
este
dinspre
capltul
a-ino-
terminal
spre
capitul carboxi-terminal.
Vom
comenta
ceva
mai
jos
efectul
qi
impotan(a
acestor
aspecte,
eterogenitate
$i
asimetrie,
asupra
funclionalit[fii
membranelor.
Exemple
de
proteine
rnetnbranare
Primele
gi
cele
mai
detaliate
informatii
asupra
proteinelor
membranare
au
fost
obfinute
din
studiul
membranelor
eritrocitare
[5].
Motivalia
este
simpli
gi
se
bazeazd pe
urmitoarele
aspecte:
(i)
materialul
biologic este
ugor de
ob{inut
in
cantitate
suficientl
(eritrocitele
reprezint6
popula$a
celulari
majoritar[
din sflnge);
(ii)
popula$a
celular[
omogen[ este uEor
de
asigurat
(celelalte
tipuri
celulare
reprezinti
o
mas[ mic[,
sunt mai
ugoare, sedimentdnd
deasupra
eritrocitelor
la
centrifugare,
sau
chiar
in cdmp
gravitagional,
iar
eliminarea
lor
se
poate
face
chiar
cu
pierderi
de
eritrocite,
pentru
siguranla lipsei
impurificArii);
(iii)
membranele
se obfin flri dificultate printr-un
simplu
goc
hipoton
urmat
de
centrifugare;
membranele
ob[inute (numite gi
fantome eritrocitare)
nu
sunt
impurificate
cu
endomembrane
(membrane
ale
organitelor celulare),
inexistente
in
acest
caz.
Proteinele membranelor
astfel purificate
au
fost
rezolvate
prin
electroforezil
in
gel
de
poliacrilamidl
in
prezenfd
de
dodecilsulfat
de sodiu
(SDS-PAGE).
Avanrajele
acestui
tip
de
electroforez[
constau in
faptul
cI
detergentul
(dodecilsulfatul
de
sodiu,
numit
gi
laurilsulfit
de
sodiu)
pe
de
o
parte
elibereazdtoate proteinele
(at6t
pe
cele periferice,
cdt
gi
pe
cele
integrale)
din
arhitectura membranei,
solubilizdndu-le
[6],
iar pe
de
alti
parte
se
adsoarbe
unitar
pe
lanfurile
polipeptidice,
conferindu-le
o densitate
de
sarcind
negative
unitari.
in
aceste
condifii
migrarea
proteinelor
se
face numai
in func{ie
de
greutatea
lor moleculari.
Rezultatele
unei
asemenea
aborddri
pentru
descrierea
proteinelor
membranei
eritrocitare
se
infh$gaz[
sub forma
unui
spectru
de
benzi proteice
distribuite
intre
20
gi
250
kDa,
care
inifial
au
primit
denumiri
sub formd
de
cifre
(banda
1,
banda
2,
etc.), nuanfAndu-se
cu,
spre
r rnplr,
anda4.1,
banda
4.2,
acolo unde
benzile apireau
ca
dublete.
Ulterior,
unele dintre proteine
au
primit
denumiri
specifice. in
momentul
de
fati
organizarea
Ei
funcf,onarea
membranei
erihocitare
poate
fi
discutati
pe
baza
informaliilor
disponibile
referitoare
la proteinele
ei.
Comentariile
asupra
proteinelor
membranei
eritrocitare
ne
vor
ajuta
si in,telegem
mai
aprofundat
organizarea
acestor
macromolecule
in arhitectura
biomembranelor,
care
este
in
strdns[
legaturl
cu funclionalitatea
lor.
vom incepe
cu
o
protein[,
de fapt
o
glicoproteind,
numiti glicoforind.
prezenti
din
abunden(i
in
membrana
eritrocitului,
care
migreazdatipic
(se
dispune
electroforetic
undeva
pe
la
90kDa,
degi
masa
ei
moleculard
este
de numai
-30kDa).
Exist[
mai
multe
izoformi
de
glicoforinl
identificate
pini
in prezent:
A,
B,
C, D
gi
E.
Izoforma
glicoforini
A este
cea
mai
bine
cunoscuti
protein[
a
membranei
eritrocitare,
sub
aspectul
structurii
biochimice.
Are
131
aminoacizi,
cunosc6ndu-i-se,integral
secventa;
este
proteini
transmembra'nari
unipas,
tip
I
(capatul
amino
in
ectodomeniu)f
ectodomeniul
este
maie
qi
poarti,
din
cdte
gtim
in
momentul
de
faf.f,
16
lanfuri
glucidice
care
practic
dubleaz[ gabaritul
acestei
molecule
(explicalie
pentru
migrarea
electroforetici
atipici,