3.4: A membrana celular
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A membrana plasmática de uma célula define o limite da célula e determina a natureza de seu contato com o meio ambiente. As células excluem algumas substâncias, absorvem outras e excretam outras ainda, tudo em quantidades controladas. As membranas plasmáticas envolvem as bordas das células, mas, em vez de serem uma bolsa estática, elas são dinâmicas e estão constantemente em fluxo. A membrana plasmática deve ser suficientemente flexível para permitir que certas células, como glóbulos vermelhos e glóbulos brancos, mudem de forma à medida que passam por capilares estreitos. Essas são as funções mais óbvias de uma membrana plasmática. Além disso, a superfície da membrana plasmática carrega marcadores que permitem que as células se reconheçam, o que é vital à medida que tecidos e órgãos se formam durante o desenvolvimento inicial e que, posteriormente, desempenham um papel na distinção “eu” versus “não-eu” da resposta imune.
A membrana plasmática também carrega receptores, que são locais de ligação de substâncias específicas que interagem com a célula. Cada receptor é estruturado para se ligar a uma substância específica. Por exemplo, os receptores de superfície da membrana criam mudanças no interior, como mudanças nas enzimas das vias metabólicas. Essas vias metabólicas podem ser vitais para fornecer energia à célula, produzir substâncias específicas para a célula ou decompor resíduos celulares ou toxinas para descarte. Os receptores na superfície externa da membrana plasmática interagem com hormônios ou neurotransmissores e permitem que suas mensagens sejam transmitidas para a célula. Alguns sites de reconhecimento são usados por vírus como pontos de conexão. Embora sejam altamente específicos, patógenos como vírus podem evoluir para explorar receptores para entrar em uma célula, imitando a substância específica à qual o receptor deve se ligar. Essa especificidade ajuda a explicar por que o vírus da imunodeficiência humana (HIV) ou qualquer um dos cinco tipos de vírus da hepatite invade apenas células específicas.
Modelo de mosaico fluido
Em 1972, S. J. Singer e Garth L. Nicolson propuseram um novo modelo da membrana plasmática que, em comparação com o entendimento anterior, explicava melhor tanto as observações microscópicas quanto a função da membrana plasmática. Isso foi chamado de modelo de mosaico fluido. O modelo evoluiu um pouco ao longo do tempo, mas ainda assim explica melhor a estrutura e as funções da membrana plasmática como as entendemos agora. O modelo de mosaico de fluidos descreve a estrutura da membrana plasmática como um mosaico de componentes — incluindo fosfolipídios, colesterol, proteínas e carboidratos — nos quais os componentes são capazes de fluir e mudar de posição, mantendo a integridade básica da membrana. Tanto as moléculas fosfolipídicas quanto as proteínas incorporadas são capazes de se difundir rápida e lateralmente na membrana. A fluidez da membrana plasmática é necessária para as atividades de certas enzimas e moléculas de transporte dentro da membrana. As membranas plasmáticas variam de 5 a 10 nm de espessura. Como comparação, os glóbulos vermelhos humanos, visíveis por microscopia óptica, têm aproximadamente 8 µm de espessura, ou aproximadamente 1.000 vezes mais espessos do que uma membrana plasmática. (Figura\(\PageIndex{1}\))
A membrana plasmática é composta principalmente por uma bicamada de fosfolipídios com proteínas, carboidratos, glicolipídios e glicoproteínas incorporados e, nas células animais, colesterol. A quantidade de colesterol nas membranas plasmáticas dos animais regula a fluidez da membrana e muda com base na temperatura do ambiente da célula. Em outras palavras, o colesterol atua como anticongelante na membrana celular e é mais abundante em animais que vivem em climas frios.
O tecido principal da membrana é composto por duas camadas de moléculas fosfolipídicas, e as extremidades polares dessas moléculas (que parecem uma coleção de bolas na versão artística do modelo) (Figura\(\PageIndex{1}\)) estão em contato com o fluido aquoso dentro e fora da célula. Assim, ambas as superfícies da membrana plasmática são hidrofílicas. Em contraste, o interior da membrana, entre suas duas superfícies, é uma região hidrofóbica ou não polar por causa das caudas de ácidos graxos. Esta região não tem atração por água ou outras moléculas polares.
As proteínas constituem o segundo principal componente químico das membranas plasmáticas. As proteínas integrais estão incorporadas na membrana plasmática e podem abranger toda ou parte da membrana. As proteínas integrais podem servir como canais ou bombas para mover materiais para dentro ou para fora da célula. As proteínas periféricas são encontradas na superfície externa ou interna das membranas, ligadas a proteínas integrais ou a moléculas fosfolipídicas. Tanto as proteínas integrais quanto as periféricas podem servir como enzimas, como ligações estruturais para as fibras do citoesqueleto ou como parte dos locais de reconhecimento da célula.
Os carboidratos são o terceiro componente principal das membranas plasmáticas. Eles são sempre encontrados na superfície externa das células e estão ligados a proteínas (formando glicoproteínas) ou a lipídios (formando glicolipídios). Essas cadeias de carboidratos podem consistir de 2 a 60 unidades de monossacarídeos e podem ser retas ou ramificadas. Junto com as proteínas periféricas, os carboidratos formam locais especializados na superfície celular que permitem que as células se reconheçam.
EVOLUÇÃO EM AÇÃO: Como os vírus infectam órgãos específicos
Moléculas específicas de glicoproteína expostas na superfície das membranas celulares das células hospedeiras são exploradas por muitos vírus para infectar órgãos específicos. Por exemplo, o HIV é capaz de penetrar nas membranas plasmáticas de tipos específicos de glóbulos brancos chamados células T auxiliares e monócitos, bem como algumas células do sistema nervoso central. O vírus da hepatite ataca apenas as células do fígado.
Esses vírus são capazes de invadir essas células, porque as células têm sítios de ligação em suas superfícies que os vírus exploraram com glicoproteínas igualmente específicas em seus revestimentos (Figura\(\PageIndex{2}\)). A célula é enganada pelo mimetismo das moléculas do revestimento do vírus e o vírus é capaz de entrar na célula. Outros locais de reconhecimento na superfície do vírus interagem com o sistema imunológico humano, fazendo com que o corpo produza anticorpos. Os anticorpos são produzidos em resposta aos antígenos (ou proteínas associadas a patógenos invasivos). Esses mesmos locais servem como locais para a fixação de anticorpos e destroem ou inibem a atividade do vírus. Infelizmente, esses sites sobre o HIV são codificados por genes que mudam rapidamente, dificultando a produção de uma vacina eficaz contra o vírus. A população de vírus em um indivíduo infectado evolui rapidamente por meio da mutação em diferentes populações, ou variantes, diferenciadas por diferenças nesses locais de reconhecimento. Essa rápida mudança dos marcadores de superfície viral diminui a eficácia do sistema imunológico da pessoa em atacar o vírus, porque os anticorpos não reconhecerão as novas variações dos padrões de superfície.
Resumo
A compreensão moderna da membrana plasmática é chamada de modelo de mosaico de fluidos. A membrana plasmática é composta por uma bicamada de fosfolipídios, com suas caudas hidrofóbicas de ácidos graxos em contato umas com as outras. A paisagem da membrana está repleta de proteínas, algumas das quais abrangem a membrana. Algumas dessas proteínas servem para transportar materiais para dentro ou para fora da célula. Os carboidratos estão ligados a algumas das proteínas e lipídios na superfície externa da membrana. Eles formam complexos que funcionam para identificar a célula para outras células. A natureza fluida da membrana se deve à configuração das caudas de ácidos graxos, à presença de colesterol embutido na membrana (nas células animais) e à natureza mosaica das proteínas e dos complexos proteína-carboidrato, que não estão firmemente fixados no local. As membranas plasmáticas envolvem as bordas das células, mas, em vez de serem uma bolsa estática, elas são dinâmicas e estão constantemente em fluxo.
Glossário
- modelo de mosaico fluido
- um modelo da estrutura da membrana plasmática como um mosaico de componentes, incluindo fosfolipídios, colesterol, proteínas e glicolipídios, resultando em um caráter fluido em vez de estático