Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor

download Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor

of 12

Transcript of Biologie Celulara Curs 2.1 - Organizarea Moleculara a Biomembranelor

  • 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,