Modelos de membrana - Membrane models
Antes do surgimento da microscopia eletrônica na década de 1950, os cientistas não conheciam a estrutura de uma membrana celular ou quais eram seus componentes; biólogos e outros pesquisadores usaram evidências indiretas para identificar membranas antes que pudessem ser visualizadas. Especificamente, foi por meio dos modelos de Overton , Langmuir , Gorter e Grendel , e Davson e Danielli , que se deduziu que as membranas possuem lipídios , proteínas e uma bicamada . O advento do microscópio eletrônico, as descobertas de J. David Robertson , a proposta de Singer e Nicolson e o trabalho adicional de Unwin e Henderson contribuíram para o desenvolvimento do modelo moderno de membrana. No entanto, a compreensão dos modelos de membrana anteriores elucida a percepção atual das características da membrana. Após intensa pesquisa experimental, os modelos de membrana do século anterior deram lugar ao modelo de mosaico fluido que é aceito hoje.
Teoria da membrana de Gorter e Grendel (1920)
Evert Gorter e François Grendel (fisiologistas holandeses) abordaram a descoberta de nosso modelo atual da estrutura da membrana plasmática como uma bi-camada lipídica . Eles simplesmente hipotetizaram que, se a membrana plasmática fosse uma camada dupla , então a área de superfície da monocamada de lipídios medida seria o dobro da área de superfície da membrana plasmática. Para examinar sua hipótese, eles realizaram um experimento no qual extraíram lipídios de um número conhecido de glóbulos vermelhos ( eritrócitos ) de diferentes fontes de mamíferos, como humanos, cabras, ovelhas, etc. e, em seguida, espalharam os lipídios como uma camada única em uma calha Langmuir-Blodgett . Eles mediram a área total da superfície da membrana plasmática dos glóbulos vermelhos e, usando o método de Langmuir, mediram a área da monocamada de lipídios. Ao comparar os dois, eles calcularam uma proporção estimada de 2: 1 Mono-camada de lipídios: membrana plasmática . Isso apoiou sua hipótese, que levou à conclusão de que as membranas celulares são compostas por duas camadas moleculares opostas. Os dois cientistas propuseram uma estrutura para essa camada dupla, com as cabeças hidrofílicas polares voltadas para fora em direção ao ambiente aquoso e as caudas hidrofóbicas voltadas para dentro, longe do ambiente aquoso em ambos os lados da membrana. Embora tenham chegado às conclusões corretas, alguns dos dados experimentais estavam incorretos, como o cálculo incorreto da área e da pressão da monocamada lipídica e a incompletude da extração lipídica. Eles também não conseguiram descrever a função da membrana e fizeram suposições falsas, como a das membranas plasmáticas consistindo principalmente de lipídios. No entanto, em geral, essa visão da estrutura de duas camadas de lipídios tornou-se a suposição básica subjacente para cada refinamento sucessivo na compreensão moderna da função da membrana.
O modelo Davson e Danielli com backup de Robertson (1940–1960)
Seguindo a proposta de Gorter e Grendel, surgiram inevitavelmente dúvidas sobre a veracidade de se ter apenas uma simples bi-camada lipídica como membrana. Por exemplo, seu modelo não poderia fornecer respostas a perguntas sobre tensão superficial, permeabilidade e resistência elétrica das membranas. Portanto, o fisiologista Hugh Davson e o biólogo James Danielli sugeriram que as membranas realmente têm proteínas. Segundo eles, a existência dessas "proteínas de membrana" explicava o que não poderia ser respondido pelo modelo de Gorter-Grendel.
Em 1935, Davson e Danielli propuseram que as membranas biológicas fossem compostas de camadas duplas de lipídios revestidas em ambos os lados com finas folhas de proteína e simplificaram seu modelo na teoria "pauci-molecular" . Essa teoria afirmava que todas as membranas biológicas têm um centro " lipoide " rodeado por mono-camadas de lipídios que são cobertas por mono-camadas de proteínas. Em suma, seu modelo foi ilustrado como um "sanduíche" de proteína-lipídio-proteína. O modelo Davson-Danielli lançou uma nova luz sobre a compreensão das membranas celulares, ao enfatizar o importante papel desempenhado pelas proteínas nas membranas biológicas.
Na década de 1950, os biólogos celulares verificaram a existência de membranas plasmáticas por meio da microscopia eletrônica (responsável por resoluções mais altas). J. David Robertson usou este método para propor o modelo de membrana unitária . Basicamente, ele sugeriu que todas as membranas celulares compartilham uma estrutura subjacente semelhante, a membrana unitária . Usando coloração de metal pesado, a proposta de Robertson também pareceu concordar instantaneamente com o modelo Davson-Danielli. De acordo com o padrão trilaminar da membrana celular visto por Robertson, ele sugeriu que as membranas consistem em uma bi-camada lipídica coberta em ambas as superfícies por finas camadas de proteínas. Essa sugestão foi um grande impulso para a proposta de Davson e Danielli. No entanto, mesmo com a comprovação de Robertson, o modelo Davson-Danielli teve sérias complicações, uma das principais sendo que as proteínas estudadas eram principalmente globulares e, portanto, não podiam se encaixar na afirmação do modelo de folhas finas de proteína. Essas dificuldades com o modelo estimularam novas pesquisas na organização de membranas e pavimentaram o caminho para o modelo do mosaico fluido, que foi proposto em 1972.
O modelo de mosaico fluido de Singer e Nicolson (1972)
Em 1972, S. Jonathan Singer e Garth Nicolson desenvolveram novas idéias para a estrutura da membrana. A proposta deles era o modelo de mosaico fluido , que é o modelo dominante agora. Ele tem duas características principais - um mosaico de proteínas embutidas na membrana e a membrana sendo uma bi-camada fluida de lipídios. A sugestão de bi-camada lipídica concorda com os modelos anteriores, mas vê as proteínas como entidades globulares embutidas na camada, em vez de folhas finas na superfície.
De acordo com o modelo, as proteínas de membrana estão em três classes com base na forma como estão ligadas à camada dupla de lipídios:
- Proteínas integrais : Imersas na camada dupla e mantidas no lugar pela afinidade das partes hidrofóbicas da proteína pelas caudas hidrofóbicas dos fosfolipídios no interior da camada.
- Proteínas periféricas : Mais hidrofílicas e, portanto, não covalentemente ligadas às cabeças polares dos fosfolipídios e outras partes hidrofílicas de outras proteínas da membrana na superfície da membrana.
- Proteínas ancoradas em lipídios : Essencialmente hidrofílicas, portanto, também estão localizadas na superfície da membrana e estão covalentemente ligadas a moléculas de lipídios embutidas na camada.
Quanto à natureza fluida da membrana, os componentes lipídicos são capazes de se mover paralelamente à superfície da membrana e estão em movimento constante. Muitas proteínas também são capazes desse movimento dentro da membrana. No entanto, alguns são restritos em sua mobilidade devido a eles serem ancorados a elementos estruturais, como o citoesqueleto em ambos os lados da membrana.
Em geral, este modelo explica a maioria das críticas ao modelo Davson – Danielli . Ele eliminou a necessidade de acomodar proteínas de membrana em camadas superficiais delgadas, propôs que a variabilidade nas proporções de proteína / lipídio de diferentes membranas significa simplesmente que diferentes membranas variam na quantidade de proteína que contêm e mostrou como a exposição de grupos de cabeça de lipídio na superfície da membrana é compatível com sua sensibilidade à digestão da fosfolipase . Além disso, a fluidez das camadas duplas de lipídios e a mistura de seus componentes dentro da membrana facilitam a visualização da mobilidade tanto de lipídios quanto de proteínas.
Teoria da membrana de Henderson e Unwin
Henderson e Unwin estudaram a membrana roxa por microscopia eletrônica, usando um método para determinar as estruturas projetadas de espécimes cristalinos não corados. Aplicando o método a espécimes inclinados e usando os princípios apresentados por DeRosier e Klug para a combinação de tais vistas bidimensionais, eles obtiveram um mapa tridimensional da membrana com resolução de 7 Å. O mapa revela a localização da proteína e dos componentes lipídicos, o arranjo das cadeias polipeptídicas dentro de cada molécula de proteína e a relação das moléculas de proteína na rede.
Micrografias de alta resolução de arranjos cristalinos de proteínas de membrana, tiradas com uma dose baixa de elétrons para minimizar os danos da radiação, foram exploradas para determinar a estrutura tridimensional por uma transformada de Fourier . Estudos recentes em junções Gap ™ de hepatócitos de rato coradas negativamente submetidas a reconstruções de Fourier tridimensionais (de micrografias eletrônicas de baixa dose ) indicam que as seis subunidades de proteína estão dispostas em um cilindro ligeiramente inclinado tangencialmente, envolvendo um canal de 2 nm de largura no região extracelular. As dimensões do canal dentro da membrana eram mais estreitas, mas não puderam ser resolvidas (Unwin e Zampighi, 1980). Um pequeno movimento radical das subunidades nas extremidades citoplasmáticas poderia reduzir a inclinação da subunidade tangencial ao eixo sêxtuplo e fechar o canal.
Mais detalhes da organização molecular devem surgir à medida que mais métodos de preparação se tornam disponíveis, de modo que imagens tridimensionais de alta resolução comparáveis às membranas roxas sejam obtidas. Usando procedimentos engenhosos para a análise de matrizes periódicas de macromoléculas biológicas , nas quais dados de imagens de elétrons de baixa dose e padrões de difração foram combinados, Henderson e Unwin (1975) reconstruíram uma imagem tridimensional de membranas roxas com resolução de 0,7 nm. A incorporação de glicose foi empregada para aliviar os danos de desidratação e doses baixas (<0,5 e / A *) para reduzir os danos de irradiação. As micrografias eletrônicas de membranas não coradas foram registradas de modo que a única fonte de contraste fosse um contraste de fase fraco induzido pela desfocagem.
Em seu experimento, Unwin e Henderson descobriram que a proteína se estende a ambos os lados da bicamada lipídica e é composta por sete hélices α separadas por cerca de 1–1,2 nm, 3,5–4,0 nm de comprimento, perpendicular ao plano da membrana . As moléculas são organizadas em torno de um eixo de 3 vezes com um espaço de 2 nm de largura no centro que é preenchido com lipídios. Este elegante trabalho representa o passo mais significativo até agora, pois pela primeira vez nos forneceu a estrutura de uma proteína de membrana integral in situ. A disponibilidade da sequência de aminoácidos, juntamente com informações sobre a densidade de espalhamento de elétrons do trabalho de Henderson e Unwin, estimulou os esforços de construção de modelo (Engleman et al., 1980) para ajustar as informações da sequência da bacteriorodopsina em uma série de α- segmentos helicoidais.