Compozitia biochimica a membranelor biologice

COMPOZITIA BIOCHIMICA A MEMBRANELOR BIOLOGICE

Pentru a intelege functiile membranelor biologice este necesar a le cunoaste structura moleculara. Componentele moleculare ale oricarei membrane biologice sunt proteinele, lipidele polare si glucidele in alcatuirea glicoproteinelor si glicolipidelor.

Proportiile in care sunt reprezentate diferitele componente biochimice variaza cu functia si localizarea biomembranelor respective.

De exemplu, multi neuroni au extensiile invelite de o teaca de mielina. Teaca de mielina care este multistratificata este compusa in mare parte din lipide care induc rolul de izolator electric. La nivelul membranelor mitocondriilor sau cloroplastelor (echivalentul mitocondriilor la celulele vegetale), acolo unde au loc numeroase reactii catalizate enzimatic, proteinele sunt majoritare.

Fiecare specie, fiecare tip de tesut sau de celula precum si diferitele tipuri de organite poseda un set caracteristic de lipide membranare. De exemplu, plasmalema hepatocitelor este bogata in colesterol si nu contine nivele detectabile de cardiolipina. In acelasi timp, membrana mitocondriala interna a hepatocitelor prezinta o distributie inversata. Este evident ca in celula exista mecanisme de control a cantitatii de lipide sintetizate si a modului de distributie.

Compozitia proteica a membranelor variaza mai mult decat compozitia lipidica, reflectand specializarea functionala (1 functie - 1 specie proteica). De exemplu, la nivelul celulelor cu bastonas din retina, o portiune a celulei este specializata pentru receptia luminii. La acest nivel, peste 90% din compozitia plasmalemei este reprezentata de o glicoproteina fotoabsorbanta - rodopsina. Plasmalema eritrocitului, care are o specializare mai redusa fata de celulele cu bastonas, prezinta circa 20 de tipuri de proteine esentiale si alte cateva sute de importanta mai mica. Multe din aceste proteine sunt transportori pentru solviti prin membrana.

Unele proteine membranare sunt legate covalent de retele complexe de carbohidrati. De exemplu, glicoforina, o glicoproteina din membrana eritrocitului este compusa in proportie de 60% din unitati oligozaharidice complexe atasate covalent la reziduuri specifice de aminoacizi (cele mai utilizate puncte de legatura le reprezinta reziduurile Ser, Thr si Asn). Ca si exemplu antinomic prezentam rodopsina, glicoproteina majoritara din membrana celulelor cu bastonas din retina care prezinta un singur hexazaharid. Componentele glucidice de la suprafata glicoproteinelor influenteaza plierea lanturilor de aminoacizi precum si stabilitatea si destinatia intracelulara; joaca de asemenea un rol esential in cuplarea specifica a liganzilor la nivelul receptorilor glicoproteici de suprafata. Membranele intracelulare (de exemplu, membranele mitocondriale, contin rareori componente carbohidrate cuplate. Unele proteine sunt cuplate covalent la unul sau mai multe lipide care joaca rolul de ancore hidrofobe.

ARHITECTURA SUPRAMOLECULARA A MEMBRANELOR BIOLOGICE

Membranele biologice:

sunt impermeabile pentru solvitii polari si permeabile pentru solutiile non-polare;

au o grosime care variaza intre 5-8 nm (50-80 angstromi);

au un aspect trilamelar (trilaminar) pe sectiune, prin vizualizare la microscopul electronic;

Studiile combinate de microscopie electronica si de compozitie chimica, de studiu a permeabilitatii si mobilitatii lipidelor si proteinelor a determinat dezvoltarea modelului de mozaic fluid.

Conform acestui model, fosfolipidele si sterolii formeaza un bistrat lipidic in care regiunile nepolare ale moleculelor lipidice sunt dispuse in apozitie (fata in fata) la nivelul miezului bistratului in timp ce capetele polare privesc spre exterior. In acest bistrat, lipidele sunt inclavate la intervale neregulate si mentinute prin interactiuni hidrofobe dintre lipidele membranare si domeniile hidrofobe ale proteinelor. Unele proteine protruzioneaza numai pe o singura parte a bistratului lipidic, altele avand domenii de ambele parti ale acestuia. Orientarea proteinelor in bistrat este asimetrica dand aspectul regionalizat al membranei. Domeniile proteice expuse de o parte si de alta a bistratului difera, ceea ce reflecta asimetria functionala. Modelul de mozaic fluid reprezentat de lipidele si proteinele membranare are particularitatea esentiala a libertatii de miscare laterala in planul membranei.

LIPIDELE MEMBRANARE

Lipidele reprezinta substante cu semnificatie biologica particulara care sunt insolubile in apa si solubile in solventi organici cum ar fi: acetona (propanona), etanol, cloroform (triclorometan), dietileter (etoxietan) si petrol usor (cu punct de fierbere la 40-60°C).

Din punct de vedere biochimic, lipidele se pot clasifica in:

lipide de stocare - neutre

lipide membranare - polare

o  fosfolipide

glicero-fosfolipide

sfingo-fosfolipide

o  glicolipide - sfingo-glicolipide

o  colesterol

Clasificarea lipidelor (schema) - dupa Lehninger

Lipidele sunt molecule care confera membranei functia de bariera. Hartley, in 1936, le-a descris ca si structuri amfifile sau amfipatice. Aceasta inseamna ca lipidele sunt molecule asimetrice, ele posedand un "cap" polar, hidrofil si o portiune alungita "coada" hidrofoba.

Fosfolipidele (sau fosfogliceridele)

Sunt cele mai abundente molecule lipidice. Ele sunt compuse dintr-un cap polar si o coada non-polara. Ele provin din esterificarea glicerolului (propan-1,2,3-triol) la nivelul grupelor -OH. Aceste esterificari se fac la nivelul gruparilor OH din pozitiile 1 si 2 cu acizi grasi iar la nivelul OH-ului din pozitia 3 cu un derivat al acidului fosforic.

Natura substituentului X, fixat la nivelul acidului fosforic precizeaza natura fosfogliceridului.

Cel mai simplu compus rezultat din esterificare (in cazul in care X este hidrogenul -H) se numeste acid fosfatidic. Acesta nu este un component al membranei, el aparand numai in cadrul sintezei altor fosfogliceride. Cele mai importante fosfogliceride membranare sunt:

Sfingolipidele sunt lipide de o mare diversitate, construite pe baza unui schelet constituit de o molecula de sfingozina care este un alcool aminat cu lant lung de atomi de carbon.

Putem distinge 3 clase de sfingolipide:

Sfingofosfolipide (sfingomieline) Sfingomielinele joaca un rol important la nivelul membranelor mielinice.

Glicosfingolipide neutre

Glicosfingolipidele neutre sau glicozil-ceramidele sunt formate din atasarea la nivelul primului alcool al ceramidei, printr-o legatura glicozidica, a glucozei, galactozei sau a unui alt polizaharid (di, tri sau tetrahexoza). Putem astfel obtine o mare diversitate de glicosfingolipide. Ele sunt denumite popular cerebrozide deoarece au fost descrise prima oara la nivelul creierului (b-galactozil-ceramida); ulterior ele au fost descrise si la nivelul altor tesuturi (b-galactozil-ceramida, in splina, la un pacient cu maladie Gaucher).

Exemplificarea implicarii glicolipidelor neutre in determinismul grupelor sangvine. Aceste glicolipide fac parte din antigenele de suprafata care determina grupele sangvine la suprafata hematiilor.

Grupa 0 poseda anticorpi antiA si antiB iar antigenul specific este prezentat in figura de mai jos. Cei cu grupa 0 pot primi sange numai de la grupa 0.

Grupa A poseda anticorpi antiB iar antigenul specific este prezentat in figura de mai jos Acest antigen este similar cu cel de la grupa 0 avand insa in plus o grupare N-acetil-galactozamina. Cei cu grupa A pot primi sange de la grupa A si 0.

Grupa B poseda anticorpi antiA iar antigenul specific este prezentat in figura de mai jos. Antigenul este similar cu cel de la grupa A dar in loc de N-acetil-galactozamina prezinta galactoza. Cei cu grupa B pot primi sange de la grupa B si 0.

Grupa AB nu poseda anticorpi iar la suprafata hematiilor gasim ambele tipuri de glicolipide de la grupele A si B. Cei cu grupa AB pot primi sange de la toate grupele.

Glicosfingolipide acide

c.  deriva din glicolipidele neutre.

Cuprind 5 clase:

sialo-glico-sfingolipide (gangliozide - contin unul sau mai multe reziduuri de acid sialic, denumit si acid N-acetil neuraminic - NANA);

urono-glico-sfingolipide (contin unul sau mai multe reziduuri de acid uronic);

sulfo-glico-sfingolipide (contin grupari esterice carbohidrat-sulfat);

fosfo-glico-sfingolipide (contin grupari mono sau diester-fosfat);

fosfono-glico-sfingolipide (contin grupari 2-aminoetil-hidroxifosforil)

Descoperite in celulele ganglionare (de unde si denumirea de gangliozide), ele reprezinta 6% din lipidele membranelor neuronale dar se gasesc si in alte celule. Glicolipidele sunt acide, deci incarcate electric datorita acidului sialic (care are o incarcare negativa). Rolul lor nu se cunoaste precis (sunt presupusi receptori) dar exista cateva exemple:

epiteliile de acoperire contin o cantitate mare de gangliozide care protejeaza membrana de actiunea degradativa a factorilor diversi, cum ar fi pH-ul, enzimele litice.

prezenta gangliozidelor in membrane poate influenta incarcarea electrica si captarea ionilor de Ca²⁺.

toxina vibrionului holeric nu poate penetra enterocitele decat in prezenta, la polul apical al acestor celule, a unui gangliozid, denumit GM₁. Patrunderea acestei toxine in interiorul enterocitelor produce cresterea concentratiei de AMPc care conduce la o secretie crescuta de Na si apa catre lumenul intestinal, ceea ce produce diareea caracteristica.

Proprietatile lipidelor membranare

Autoaranjarea spontana (autoorganizarea).

Aceasta proprietate se datoreaza caracterului amfifil (sau amfipatic) descris; astfel, fosfolipidele si glicolipidele introduse in apa formeaza un dublu-strat.

Din diverse experimente, cunoastem 2 tipuri de organizare a bistraturilor lipidice:

bistraturi lipidice plane (denumite si membrane negre);

bistraturi lipidice ce formeaza vezicule - denumite liposomi.

o alta forma de organizare spontana este reprezentata de micelii, de asemenea sferice ca si liposomii, dar, spre deosebire de acestia, cozile lor hidrofobe exclud apa din interiorul lor.

A. Bistraturile lipidice plane

Pot fi obtinute prin amplasarea unei picaturi lipidice dizolvate in solventi organici, la nivelul unui orificiu care separa 2 compartimente ce contin apa.

B. Liposomii

Fosfolipidele introduse in apa pot forma liposomi multilamelari, cu un diametru de aproximativ 2 mm. Formarea lor poate fi accelerata de agitarea mecanica a vasului de formare. Prin tratamentul lor ultrasonic pot fi transformati in liposomi unilamelari. Liposomii sunt folositi in experiente de reconstruire a membranelor prin aditie de proteine. Astfel ei sunt utilizati in terapeutica. Ei permit vehicularea (transportarea) unor medicamente  pe care le inglobeaza, in torentul sangvin de unde pot fi dirijati catre tesuturile tinta.

C. Miceliile

Miceliile reprezinta structuri sferice care contin cateva zeci pana la cateva mii de molecule lipidice dispuse cu regiunile hidrofobe agregate spre interior, excluzand moleculele de apa, si cu capetele hidrofile spre exterior, in contact cu mediul apos.

Fluiditatea bistraturilor lipidice. Bistraturile lipidice sunt structuri cvasifluide, interiorul bistratului fiind fluid. Aceasta cvasi-fluiditate este rezultatul miscarilor efectuate in special de fosfolipidele membranare. Cele mai importante miscari efectuate de lipide sunt rotatia in jurul propriei axe si miscarile lanturilor laterale. Fluiditatea este proportionala cu amplitudinea acestor miscari si are ca rezultat deplasarea lipidelor si a proteinelor in planul membranei.

Miscarile lipidelor sunt:

a. Intramoleculare - cand se deplaseaza numai anumite portiuni ale moleculei lipidice.

b. De rotatie si de translatie cand in miscare este angajata intreaga molecula.

Miscarile intramoleculare sunt putin accesibile si numai metodelor de investigatie ca RMN (Rezonanta Magnetica Nucleara) sau RES (Rezonanta Electromagnetica de Spin). Aceste miscari sunt reprezentate de miscari ale grupurilor de atomi in jurul legaturilor simple precum si de miscari segmentare la nivelul acizilor grasi si modificari de conformatie la nivelul gruparilor polare.

Miscarile de rotatie si de translatie sunt mai accesibile investigatiilor.

Miscarea de rotatie este foarte rapida (10^-6-10^-7 sec.). Moleculele se rasucesc in jurul propriei axe si, din cauza flexibilitatii lanturilor laterale, molecula lipidica va fi flectata la maxim la nivelul miezului dublului strat lipidic si mai putin flectata la nivelul capetelor polare.

Miscarile de translatie sunt de doua tipuri:

w o miscare de translatie laterala

w o migrare a lipidelor dintr-un strat in altul.

Prin translatie laterala, lipidele isi schimba locurile intre ele de circa 10⁷ ori pe secunda, deci coeficientul de difuziune (D) este in medie de 10^-8 cm²/sec. Aceasta inseamna ca o molecula lipidica poate difuza ('strabate') suprafata unei bacterii mari (aprox. 2 mm) intr-o secunda. Este permisa comparatia cu un ocean lipidic in care moleculele componente au libertate de miscare datorita interactiunilor Van der Waals. Miscarile de lateralitate afecteaza si mobilitatea proteinelor care, pentru regionalizare si pastrarea polaritatii functionale necesita sisteme specifice de ancorare prin generarea de clustere (agregate macromoleculare lipido-proteice care pastreaza pozitiile relative ale proteinelor in membrana) sau prin ancorarea la elementele citoscheletului cortical (cazul proteinelor transmembranare). Un exemplu util este cel al glicoforinelor si pompelor Na/bicarbonat care sunt cuplate si imobilizate de spectrina, o proteina specifica citoscheletului eritrocitelor.

Asimetria dublului strat lipidic.

Un mare numar de membrane au o componenta lipidica diferita pentru cele 2 monostraturi din structura. Originea asimetriei chimice se gaseste la nivelul locului lor de sinteza, adica in reticulul endoplasmic neted (un organit celular specializat), unde se gasesc translocatori ai lipidelor care le insera si le repartizeaza intr-un monostrat sau in altul (asa cum se va vedea in capitolele referitoare la organitele celulare, reinnoirea membranelor celulare depinde de reticulul endoplasmatic - atat rugos cat si neted - care 'inmugureste' trimitand vezicule spre membrana celulara cu care fuzioneaza).