Lipídeos, lipoproteínas e formação de membranas biológicas

Os lipídeos que constituem as membranas biológicas podem ser divididos basicamente em três grandes grupos (fosfolipídeos, glicolipídeos e lipídeos éter de Archaea) e os esteróis. Eles se diferenciam pela estrutura básica na qual se ligam as longas cadeias dos ácidos graxos, que pode ser o glicerol ou a esfingosina.

Os lipídeos de membrana são moléculas anfipáticas, isto é, formados de forma geral por uma ou duas caudas hidrofóbicas constituídas pelas longas cadeias de ácidos graxos saturados e/ou insaturados, e uma “cabeça” hidrofílica, que pode conter ou não grupamento fosfato ligado a distintos radicais polares ou carregados. Quando a região polar da molécula não apresenta grupamentos fostato, ela é constituída de mono, di ou oligossacarídeos, sendo classificado de modo geral como glicolipídeos. Quando a região hidrofílica (cabeça polar) for constituída por fosfato, denomina-se fosfolipídeos.

Os fosfolipídeos podem ser subdivididos em glicerofosfolipídeos ou esfingolipídeos, dependendo da cadeia (ou esqueleto) carbônica básica na qual os grupamentos polares estão ligados, se essa cadeia for uma molécula de glicerol ou de esfingosina, repectivamente. Os glicolipídeos também podem ser subdivididos da mesma forma, sendo denominados esfingolipídeos e galactolipídeos ou sulfolipídeos.

Glicerofosfolipídeos

Também conhecidos como fosfoglicerídeos, são formados por dois ácidos graxos unidos por ligação éster ao primeiro e segundo carbonos do glicerol e um grupo fortemente polar ou carregado ligado ao terceiro carbono por meio de uma ligação fosfodiéster. Em geral, os glicerofosfolipídeos contêm um ácido graxo saturado C16 ou C18 no carbono 1 do glicerol, e um ácido graxo insaturado C18 ou C20 no carbono 2.

Os glicerofosfolipídeos recebem nomes especiais conforme o tipo de grupamento que está ligado ao glicerol pela ligação fosfodiéster, sendo assim, o grupamento etanolamina, gera o composto conhecido como fosfatidiletanolamina. Se os grupamentos forem colina, serina, mioinositol ou glycerol, os nomes dos glicerofosfolipídeos serão respectivamente: fosfatidilcolina (lecitina), fosfatidilserina, fosfatidilinositol ou fosfatidilglicerol.

Galactolipídeos e sulfolipídeos

Predominante nas membranas dos tilacóides dos cloroplastos das células vegetais, os galactolipídeos, apresentam um ou dois resíduos de galactose conectados por uma ligação glicosídica ao carbono 3 do glicerol. Pode ser encontrado também nas membranas das células vegetais os sulfolipídeos, nos quais um resíduo de glicose sulfonado está unido ao carbono 3 do glicerol, através de uma ligação glicosídica.

Lipídeos éter em Archaea

O grupo Archaea, corresponde a um grupo de bactérias que vive em condições ecológicas extremas (altas temperaturas, baixo pH, alta força iônica, entre outros). Tal resistência é devida a várias características adaptativas, sendo uma delas a constituição lipídica da membrana celular deles.

Os lipídeos de membrana contêm hidrocarbonetos de cadeia longa ramificada, ligados nas suas duas extremidades ao glicerol por meio de ligações éter, que são muito mais estáveis à hidrólise em pH baixo e altas temperaturas do que as ligações éster encontradas nos lipídeos dos eucariotos ou procariotos do domínio Bacteria. Aos grupamentos polares do glicerol podem estar ligados ainda fosfato ou resíduos de açúcar.

Esfingolipídeos

Os esfingolipídeos são constituídos por uma cadeia básica de aminoálcool, a esfingosina, ligada no carbono 2 a uma longa cadeia de ácido graxo por ligação amida, e um grupo polar unido ao carbono 1, através de ligação fosfodiéster ou glicosídica. Conforme os grupo-cabeça ligados ao carbono 3 da esfingosina, os esfingolipídeos podem ser subdivididos em em esfingomielinas, glicoesfingolipídeos neutros (não carregados) e gangliosídeos.

As esfingomielinas contêm fosfocolina ou fosfoetanolamina como grupo polar da cabeça, e estão presentes nas membranas plasmáticas das células animais, em especial nas bainhas de mielina que envolvem os axônios de alguns neurônios.

Os glicoesfingolipídeos possuem grupos “cabeça” com um ou mais açúcares conectados diretamente ao grupo hidroxil (-OH) no carbono 1 da esfingosina, não contendo fosfato. Quando se têm um único açúcar ligado ao carbono 1 são denominados cerebrosídeos. Os cerebrosídeos constituídos de galactose são encontrados na face externa das membranas das células neurais, e aqueles constituídos de glicose nas células não neurais.

Os globosídeos são glicoesfingolipídeos com dois ou mais açúcares, geralmente D-glicose, D-galactose, ou N-acetil-D-galactosamina.
Os gangliosídeos são os esfingolipídeos mais complexos, tendo oligossacarídeos como grupo polar na “cabeça” e um ou mais resíduos de ácido N-acetilneuramínico (proporciona carga negativa em pH 7).

Esterois

São lipídeos estruturais presentes nas membranas da maioria das células eucarióticas. Sua estrutura característica é um núcleo formado por quatro anéis fusionados (três com seis átomos de carbono e um com cinco).

O núcleo esteroide é plano e rígido. O principal representante desse grupo é o colesterol, encontrado em células animais. Esterois similares são encontrados em outros eucariotos: stigmasterol em plantas e ergosterol em fungos, por exemplo. 

Formação das membranas biológicas

Glicerofosfolipídeos, esfingolipídeos e esterois são praticamente insolúveis em água, e quando misturados com a mesma formam espontaneamente agregados lipídicos microscópicos, agrupando-se com suas porções hidrofóbicas em contato entre si e com seus grupos hidrofílicos interagindo com a água circundante.

Esse agrupamento reduz a superfície hidrofóbica exposta à água e assim minimiza o número de moléculas da camada de água ordenada na interface lipídeo-água, resultando em um aumento da entropia da água. Do ponto de vista termodinâmico, a interação hidrofóbica é que dirige a formação e estabilização de agregados anfifílicos (PEREIRA, 2003).

Dependendo das condições exatas e da natureza dos lipídeos, três tipos de agregados lipídicos podem ser formados quando lipídeos anfipáticos são misturados com água: micelas, bicamadas e vesículas (NELSON; COX, 2011).

Conforme Evans e Wennerström (1994 apud PEREIRA, 2003) a forma e o tamanho do agregado podem mudar em consequência de variações da solução como composição, temperatura, força iônica e pH. Conforme Pereira (2003) pode-se formar também agregados supramoleculares hexagonais.

Considerações geométricas podem ser aplicadas para estabelecer as possíveis estruturas. Estas dependem da área superficial ótima e do volume da cadeia hidrocarbônica, e são limitados pelo máximo comprimento que as cadeias hidrocarbônicas possam alcançar.

Micelas são estruturas esféricas que contêm desde umas poucas dúzias até alguns poucos milhares de moléculas anfipáticas. Essas moléculas dispõem-se com suas regiões hidrofóbicas agregadas na parte interna, com seus grupos polares na superfície, em contato com a água.

A formação dessas estruturas é favorecida quando a área de secção transversal do grupo polar é maior do que das cadeias laterais de acil, como nos ácidos graxos, lisofosfolipídios (fosfolipídeos com um ácido graxo a menos) e detergentes como o dodecilsulfato de sódio.

A bicamada lipídica é formada pela associação de duas camadas monolipídicas, onde as cadeias acil apolares interagem entre si. Esse agregado lipídico é favorecido quando as áreas de secção transversal dos grupos polares e das cadeias acil laterais apolares são similares, como no caso dos glicerofosfolipídeos e dos esfingolipídeos.

Devido ao fato de as bordas das regiões hidrofóbicas estarem em contato com a água, a lâmina da bicamada é relativamente instável e dobra-se espontaneamente sobre si mesma para formar uma esfera oca, a vesícula (lipossomo). A superfície contínua das vesículas elimina a exposição de regiões hidrofóbicas, permitindo às bicamadas alcançarem o máximo de estabilidade quando em meio aquoso.
Os componentes moleculares que integram a estrutura das membranas celulares são as proteínas e os lipídios polares (que formam uma bicamada lipídica) que constituem quase toda a massa da membrana e ainda carboidratos que unidos covalentemente às proteínas e lipídios formam na membrana as glicoproteínas e glicolipídios, respectivamente.

Entendendo o modelo mosaico fluido

O modelo do mosaico fluido para a estrutura das membranas biológicas é o mais aceito na ciência e descreve o mecanismo básico das proteínas de membranas e as funções da membrana. Sobre as proteínas de uma membrana biológica, elas “podem estar associadas à bicamada lipídica de duas maneiras: como proteínas periféricas na superfície da membrana, ou como proteínas integrais dentro da bicamada lipídica” (CAMPBELL, 2000).

De acordo com o modelo do mosaico fluido da estrutura das membranas biológicas, uma bicamada é formada por fosfolipídios com a porção não-polar dessas moléculas voltadas para o interior da bicamada, enquanto a porção polar hidrofílica está orientada para fora da bicamada, interagindo com o meio aquoso de ambos os lados. E assim proteínas ficam incrustadas e mantidas nessa estrutura por interações hidrofóbicas que ocorre entre os lipídios da membrana e os domínios hidrofóbicos nas proteínas. Nelson e Cox (2011) ainda afirmam que algumas proteínas fazem protuberância em apenas um dos lados da membrana; outras possuem domínios expostos em ambos os lados.

As proteínas de membrana podem ser divididas em dois grandes grupos: as proteínas integrais, que são removidas da membrana apenas com agentes como detergentes, solventes orgânicos ou desnaturantes que interferem desorganizando as interações hidrofóbicas entre as moléculas, pois essas proteínas são firmemente associadas com as membranas; e as proteínas periféricas que usam de interações eletrostáticas e pontes de hidrogênio para se associarem aos grupos polares dos lipídios de membrana e aos domínios hidrofílicos das proteínas integrais nas membranas.

Com isso elas são mais facilmente liberadas com o uso de substâncias menos reativas que deslocam pouco o gradiente eletrostático ou que quebram as pontes de hidrogênio, como o carbonato em pH alto.

Lipoproteínas

As lipoproteínas são complexos macromoleculares de proteínas transportadoras específicas as apolipoproteínas (apoproteínas), com várias combinações de fosfolipídeos, colesterol, ésteres de colesterila e triacilglicerois.

As apolipoproteínas combinam-se com os lipídeos, formando diversas classes de partículas lipoproteicas, as quais são complexos esféricos com os lipídeos hidrofóbicos no centro e as cadeias laterais hidrofílicas de aminoácidos na superfície, juntamente com as “cabeças” lipídicas polares. As diferentes combinações de lipídeos e proteínas produzem partículas de diferentes densidades, variando de quilomicra a lipoproteínas de alta densidade (Quadro 1). Quanto maior a quantidade de lipídeos menor a densidade e maior o tamanho do complexo macromolecular (MORIGUCHI, 2001). Classificação das lipoproteínas.

Tipo de lipoproteína

Características e função
Quilomicrons
É a lipoproteína de maiores dimensões e a menos densa;
Transporta triacilgliceróis exógenos na corrente sanguínea
VLDL (lipoproteína de densidade muito baixa)
Transporta triacilgliceróis endógenos
IDL (lipoproteína de densidade intermediária)
Formada na transformação de VLDL em LDL
LDL (lipoproteína de baixa densidade)
Principal transportador do colesterol;
Excesso de concentração no sangue aumenta o risco de enfarte agudo do miocárdio
HDL (lipoproteína de alta densidade)
Retira o colesterol da circulação;
Níveis elevados no sangue estão associados a uma diminuição do risco de enfarte do miocárdio.

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