Biomembranas: estrutura e funções - Ciência - 2023

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As biomembranas São estruturas de natureza essencialmente lipídica, muito dinâmicas e seletivas, que fazem parte das células de todos os seres vivos. Em essência, eles são responsáveis por estabelecer as fronteiras entre a vida e o espaço extracelular, além de decidir de forma controlada o que pode entrar e sair da célula.

As propriedades da membrana (como fluidez e permeabilidade) são determinadas diretamente pelo tipo de lipídeo, saturação e comprimento dessas moléculas. Cada tipo de célula possui uma membrana com uma composição característica de lipídios, proteínas e carboidratos, o que lhe permite desempenhar suas funções.

Estrutura

O modelo atualmente aceito para descrever a estrutura das membranas biológicas é denominado "mosaico fluido". Foi desenvolvido em 1972 pelos pesquisadores S. Jon Singer e Garth Nicolson.

Um mosaico é a união de diferentes elementos heterogêneos. No caso das membranas, esses elementos compreendem diferentes tipos de lipídios e proteínas. Esses componentes não são estáticos: pelo contrário, a membrana se caracteriza por ser extremamente dinâmica, onde os lipídios e as proteínas estão em constante movimento. '

Em alguns casos, podemos encontrar carboidratos ancorados em algumas proteínas ou nos lipídios que compõem a membrana. A seguir, vamos explorar os principais componentes das membranas.

-Lípidos

Os lipídios são polímeros biológicos constituídos por cadeias de carbono, cuja principal característica é a insolubilidade em água. Embora cumpram múltiplas funções biológicas, a mais notável é seu papel estrutural nas membranas.

Os lipídios capazes de formar membranas biológicas são compostos por uma porção apolar (insolúvel em água) e uma porção polar (solúvel em água). Esses tipos de moléculas são conhecidos como anfipáticos. Essas moléculas são fosfolipídios.

Como os lipídios se comportam na água?

Quando os fosfolipídios entram em contato com a água, a porção polar é aquela que realmente entra em contato com ela. Em contraste, as "caudas" hidrofóbicas interagem entre si, tentando escapar do líquido. Em solução, os lipídios podem adquirir dois padrões de organização: micelas ou bicamadas lipídicas.

Micelas são pequenos agregados de lipídios, onde as cabeças polares são agrupadas "olhando" para a água e as caudas são agrupadas dentro da esfera. Bicamadas, como o nome indica, são duas camadas de fosfolipídios em que as cabeças ficam de frente para a água e as caudas de cada uma das camadas interagem entre si.

Essas formações ocorrem de uma forma espontâneo. Ou seja, nenhuma energia é necessária para conduzir a formação de micelas ou bicamadas.

Esta propriedade anfipática é, sem dúvida, a mais importante de certos lipídios, pois permitiu a compartimentação da vida.

Nem todas as membranas são iguais

Em termos de sua composição lipídica, nem todas as membranas biológicas são iguais. Estes variam em termos de comprimento da cadeia de carbono e a saturação entre eles.

Com saturação referimo-nos ao número de ligações que existem entre os carbonos. Quando há ligações duplas ou triplas, a cadeia é insaturada.

A composição lipídica da membrana determinará suas propriedades, principalmente sua fluidez. Quando há ligações duplas ou triplas, as cadeias de carbono "torcem", criando espaços e diminuindo o empacotamento das caudas lipídicas.

As dobras reduzem a superfície de contato com as caudas vizinhas (especificamente as forças de interação de van der Waals), enfraquecendo a barreira.

Em contraste, quando a saturação da cadeia é aumentada, as interações de van der Waals são muito mais fortes, aumentando a densidade e a resistência da membrana. Da mesma forma, a resistência da barreira pode ser aumentada se a cadeia de hidrocarbonetos aumentar de comprimento.

O colesterol é outro tipo de lipídio formado pela fusão de quatro anéis. A presença dessa molécula também ajuda a modular a fluidez e a permeabilidade da membrana. Essas propriedades também podem ser afetadas por variáveis externas, como temperatura.

-Proteínas

Em uma célula normal, um pouco menos da metade da composição da membrana são proteínas. Estes podem ser encontrados embutidos na matriz lipídica de várias maneiras: totalmente imersos, ou seja, integrais; ou perifericamente, onde apenas uma porção da proteína está ancorada aos lipídios.

As proteínas são usadas por algumas moléculas como canais ou transportadores (da via ativa ou passiva) para ajudar moléculas grandes e hidrofílicas a cruzar a barreira seletiva. O exemplo mais notável é a proteína que funciona como uma bomba de sódio-potássio.

-Carboidratos

Os carboidratos podem ser ligados às duas moléculas mencionadas acima. Eles geralmente são encontrados ao redor da célula e desempenham um papel na marcação, reconhecimento e comunicação celular em geral.

Por exemplo, as células do sistema imunológico usam esse tipo de marcação para diferenciar o que é seu do que é estranho e, assim, saber qual célula deve ser atacada e qual não.

Características

Estabelecer limites

Como são estabelecidos os limites da vida? Por meio de biomembranas. Membranas de origem biológica são responsáveis por delimitar o espaço celular em todas as formas de vida. Essa propriedade de compartimentalização é essencial para a geração de sistemas vivos.

Desta forma, um ambiente diferente pode ser criado dentro da célula, com as concentrações e movimentos necessários de materiais que são ótimos para os seres orgânicos.

Além disso, as membranas biológicas também estabelecem limites dentro da célula, originando os compartimentos típicos das células eucarióticas: mitocôndrias, cloroplastos, vacúolos, etc.

Seletividade

As células vivas requerem entrada e saída constantes de certos elementos, por exemplo, troca iônica com o ambiente extracelular e excreção de substâncias residuais, entre outros.

A natureza da membrana a torna permeável a certas substâncias e impermeável a outras. Por isso, a membrana, juntamente com as proteínas de seu interior, atua como uma espécie de “porteiro” molecular que orquestra a troca de materiais com o meio ambiente.

Moléculas pequenas, que não são polares, podem atravessar a membrana sem problemas. Em contraste, quanto maior a molécula e mais polar ela é, a dificuldade da etapa aumenta proporcionalmente.

Para dar um exemplo específico, uma molécula de oxigênio pode viajar através de uma membrana biológica um bilhão de vezes mais rápido do que um íon cloreto.

Referências

Freeman, S. (2016).Ciência Biológica. Pearson.
Kaiser, C. A., Krieger, M., Lodish, H., & Berk, A. (2007).Biologia celular molecular. WH Freeman.
Peña, A. (2013).Membranas celulares. Fundo de Cultura Econômica.
Singer, S. J., & Nicolson, G. L. (1972). O modelo de mosaico fluido da estrutura das membranas celulares.Ciência, 175(4023), 720-731.
Stein, W. (2012).O movimento das moléculas através das membranas celulares. Elsevier.