Bicamada lipídica

A bicamada lipídica (ou bicamada fosfolipídica ) é uma fina membrana polar feita de duas camadas de moléculas lipídicas. Essas membranas são folhas planas que formam uma barreira contínua em torno de todas as células. As membranas celulares de quase todos os organismos e muitos vírus são feitos de bicamada lipídica, assim como a membrana nuclear ao redor do núcleo celular e membranas das organelas ligadas à membrana na célula. A bicamada lipídica é a barreira que mantém íons, proteínas e outras moléculas onde são necessárias e os impede de se difundir em áreas onde não deveriam estar. As bicamadas lipídicas são ideais para esse papel, apesar de terem apenas alguns nanômetros de largura, porque são impermeáveis à maioria das moléculas solúveis em água (hidrofílica). As bicamadas são particularmente impermeáveis aos íons, o que permite que as células regularem as concentrações de sal e o pH transportando íons através de suas membranas usando proteínas chamadas bombas de íons.

As bicamadas biológicas são geralmente compostas por fosfolipídios anfifílicos que têm uma cabeça de fosfato hidrofílico e uma cauda hidrofóbica que consiste em duas cadeias de ácidos graxos. Os fosfolipídios com certos grupos principais podem alterar a química da superfície de uma bicamada e podem, por exemplo, servir como sinais e também#34; âncoras " Para outras moléculas nas membranas das células. Assim como as cabeças, as caudas dos lipídios também podem afetar as propriedades da membrana, por exemplo, determinando a fase da bicamada. A bicamada pode adotar um estado de fase de gel sólido a temperaturas mais baixas, mas sofre transição de fase para um estado fluido a temperaturas mais altas, e as propriedades químicas dos lipídios ' As caudas influenciam em que temperatura isso acontece. A embalagem de lipídios dentro da bicamada também afeta suas propriedades mecânicas, incluindo sua resistência ao alongamento e à flexão. Muitas dessas propriedades foram estudadas com o uso de modelo artificial " Bilayers produzidos em um laboratório. As vesículas fabricadas pelas bicamadas modelo também foram usadas clinicamente para fornecer medicamentos.

A estrutura das membranas biológicas normalmente inclui vários tipos de moléculas, além dos fosfolipídios que compreendem a bicamada. Um exemplo particularmente importante nas células animais é o colesterol, o que ajuda a fortalecer a bicamada e diminuir sua permeabilidade. O colesterol também ajuda a regular a atividade de certas proteínas da membrana integral. As proteínas da membrana integral funcionam quando incorporadas em uma bicamada lipídica e são mantidas firmemente na bicamada lipídica com a ajuda de uma concha lipídica anular. Como as bicamadas definem os limites da célula e seus compartimentos, essas proteínas de membrana estão envolvidas em muitos processos de sinalização intra e inter-celulares. Certos tipos de proteínas da membrana estão envolvidos no processo de fundir duas bicamadas. Essa fusão permite a união de duas estruturas distintas, como na reação do acrossoma durante a fertilização de um ovo por um esperma ou a entrada de um vírus em uma célula. Como as bicamadas lipídicas são frágeis e invisíveis em um microscópio tradicional, eles são um desafio para estudar. Experimentos em bicamadas geralmente requerem técnicas avançadas como microscopia eletrônica e microscopia de força atômica.

Quando os fosfolipídios são expostos à água, eles se auto-montam em uma folha de duas camadas com as caudas hidrofóbicas apontando para o centro da folha. Esse arranjo resulta em dois "folhetos" que são cada uma com uma única camada molecular. O centro desta bicamada quase não contém água e exclui moléculas como açúcares ou sais que se dissolvem na água. O processo de montagem e a manutenção são acionados pela agregação de moléculas hidrofóbicas (também chamadas de efeito hidrofóbico). Esse processo complexo inclui interações não covalentes, como forças de van der Waals, ligações eletrostáticas e de hidrogênio.

A bicamada lipídica é muito fina em comparação com suas dimensões laterais. Se uma célula típica de mamíferos (diâmetro ~ 10 micrômetros) fosse ampliada no tamanho de uma melancia (~ 1 ft/30 cm), a camada lipídica que compõe a membrana plasmática seria tão espessa quanto um pedaço de papel de escritório. Apesar de ter apenas alguns nanômetros de espessura, a bicamada é composta por várias regiões químicas distintas em sua seção transversal. Essas regiões e suas interações com a água circundante foram caracterizadas nas últimas décadas com refletometria de raios-X, dispersão de nêutrons e técnicas de ressonância magnética nuclear.

A primeira região de ambos os lados da bicamada é o grupo de cabeça hidrofílico. Essa parte da membrana é completamente hidratada e normalmente tem cerca de 0,8-0,9 nm de espessura. Nas bicamadas fosfolipídicas, o grupo fosfato está localizado nessa região hidratada, aproximadamente 0,5 nm fora do núcleo hidrofóbico. Em alguns casos, a região hidratada pode se estender muito mais, por exemplo, em lipídios com uma grande proteína ou cadeia de açúcar longa enxertada na cabeça. Um exemplo comum dessa modificação na natureza é o revestimento lipopolissacarídeo em uma membrana externa bacteriana, que ajuda a reter uma camada de água ao redor da bactéria para evitar a desidratação.

Ao lado da região hidratada há uma região intermediária que é apenas parcialmente hidratada. Essa camada limite tem aproximadamente 0,3 nm de espessura. Dentro dessa curta distância, a concentração de água cai de 2m no lado do grupo de cabeça para quase zero no lado da cauda (núcleo). O núcleo hidrofóbico da bicamada tem tipicamente 3-4 nm de espessura, mas esse valor varia com o comprimento da cadeia e a química. A espessura do núcleo também varia significativamente com a temperatura, em particular perto de uma transição de fase.

Em muitas bicamadas naturais, as composições dos folhetos de membrana interna e externa são diferentes. Nas células vermelhas humanas, o folhetão interno (citoplasmático) é composto principalmente de fosfatidiletanolamina, fosfatidilserina e fosfatidilinositol e seus derivados fosforilados. Por outro lado, o folheto externo (extracelular) é baseado em fosfatidilcolina, esfingomielina e uma variedade de glicolipídios. Em alguns casos, essa assimetria é baseada em onde os lipídios são feitos na célula e reflete sua orientação inicial. As funções biológicas da assimetria lipídica são imperfeitamente entendidas, embora esteja claro que é usado em várias situações diferentes. Por exemplo, quando uma célula sofre apoptose, a fosfatidilserina - normalmente localizada no folheto citoplasmático - é transferida para a superfície externa: lá é reconhecida por um macrófago que então limpa ativamente a célula morrendo.

A assimetria lipídica surge, pelo menos em parte, pelo fato de que a maioria dos fosfolipídios é sintetizada e inicialmente inserida na monocamada interna: aqueles que constituem a monocamada externa são então transportados da monocamada interna por uma classe de enzimas chamadas flipplases. Outros lipídios, como a esfingomielina, parecem ser sintetizados no folheto externo. Flippases são membros de uma família maior de moléculas de transporte lipídico que também inclui floppases, que transferem lipídios na direção oposta, e scramblases, que randomizam a distribuição lipídica entre as bicamadas lipídicas (como nas células apoptóticas). De qualquer forma, uma vez que a assimetria lipídica é estabelecida, ela normalmente não se dissipa rapidamente porque o flip-flop espontâneo de lipídios entre os folhetos é extremamente lento.

É possível imitar essa assimetria em laboratório em sistemas de bicamadas modelo. Certos tipos de vesícula artificial muito pequena se tornarão automaticamente levemente assimétricas, embora o mecanismo pelo qual essa assimetria seja gerado seja muito diferente daquela nas células. Utilizando duas monocamadas diferentes na deposição de Langmuir-Blodgett ou uma combinação de Langmuir-Blodgett e deposição de ruptura da vesícula, também é possível sintetizar uma bicamada plana assimétrica. Essa assimetria pode ser perdida com o tempo, pois os lipídios em bicamadas suportadas podem ser propensas a flip-flop. No entanto, foi relatado que o flip-flop lipídico é lento em comparação com o colesterol e outras moléculas menores.

Foi relatado que a organização e a dinâmica das monocamadas lipídicas em uma bicamada são acopladas. Por exemplo, a introdução de obstruções em uma monocamada pode desacelerar a difusão lateral em ambas as monocamadas. Além disso, a separação de fases em uma monocamada também pode induzir a separação de fases em outra monocamada, mesmo quando outras monocamadas não podem se separar de fase por si só.

Em uma determinada temperatura, uma bicamada lipídica pode existir em uma fase líquida ou gel (sólida). Todos os lipídios têm uma temperatura característica na qual passam (derretem) da fase de gel para líquido. Nas duas fases, as moléculas lipídicas são impedidas de virar a bicamada, mas em bicamadas de fase líquida, um determinado lipídio trocará locais com seu vizinho milhões de vezes por segundo. Essa troca aleatória de caminhada permite que o lipídio se difunda e, assim, passeie pela superfície da membrana. Ao contrário das bicamadas de fase líquida, os lipídios em uma bicamada de fase de gel têm menos mobilidade.

O comportamento de fase das bicamadas lipídicas é determinado em grande parte pela força das atraentes interações de van der Waals entre moléculas lipídicas adjacentes. Os lipídios de cauda mais longa têm mais área sobre a qual interagir, aumentando a força dessa interação e, como conseqüência, diminuindo a mobilidade lipídica. Assim, a uma determinada temperatura, um lipídio de cauda curta será mais fluido do que um lipídio de cauda longa idêntica. A temperatura de transição também pode ser afetada pelo grau de insaturação das caudas lipídicas. Uma ligação dupla insaturada pode produzir uma torção na cadeia alcana, interrompendo a embalagem lipídica. Essa interrupção cria espaço livre extra dentro da bicamada que permite flexibilidade adicional nas cadeias adjacentes. Um exemplo desse efeito pode ser observado na vida cotidiana como manteiga, que possui uma grande porcentagem de gorduras saturadas, é sólida à temperatura ambiente, enquanto o óleo vegetal, que é principalmente insaturado, é líquido.

A maioria das membranas naturais é uma mistura complexa de diferentes moléculas lipídicas. Se alguns dos componentes forem líquidos a uma determinada temperatura, enquanto outros estão na fase de gel, as duas fases podem coexistir em regiões espacialmente separadas, como um iceberg flutuando no oceano. Essa separação de fases desempenha um papel crítico nos fenômenos bioquímicos, porque os componentes da membrana como proteínas podem particionar em uma ou outra fase e, portanto, se concentrar localmente ou ativados. Um componente particularmente importante de muitos sistemas de fase misto é o colesterol, que modula a permeabilidade à bicamada, a força mecânica e as interações bioquímicas.

Enquanto as caudas lipídicas modulam principalmente o comportamento da fase de bicamada, é o grupo de cabeça que determina a química da superfície da bicamada. A maioria das bicamadas naturais é composta principalmente de fosfolipídios, mas esfingolipídios e esteróis como o colesterol também são componentes importantes. Dos fosfolipídios, o grupo de cabeça mais comum é a fosfatidilcolina (PC), representando cerca de metade dos fosfolipídios na maioria das células de mamíferos. O PC é um grupo de cabeça zwitteriônico, pois tem uma carga negativa no grupo fosfato e uma carga positiva na amina, mas, porque esses cobrem o saldo do balanço, sem carga líquida.

Outros grupos de cabeça também estão presentes em graus variados e podem incluir fosfatidiletanolamina (PS) fosfatidilserina (PS) e fosfatidilglicerol (PG). Esses grupos de cabeça alternativos geralmente conferem funcionalidade biológica específica que depende altamente dependente do contexto. Por exemplo, a presença de PS na face da membrana extracelular dos eritrócitos é um marcador de apoptose celular, enquanto o PS nas vesículas da placa de crescimento é necessário para a nucleação de cristais de hidroxiapatita e subsequente mineralização óssea. Ao contrário do PC, alguns dos outros grupos de cabeça carregam uma carga líquida, que pode alterar as interações eletrostáticas de pequenas moléculas com a bicamada.

O papel principal da bicamada lipídica na biologia é separar os compartimentos aquosos do ambiente. Sem alguma forma de barreira delineando "eu" de "não-eu", é difícil até definir o conceito de um organismo ou da vida. Essa barreira assume a forma de uma bicamada lipídica em todas as formas de vida conhecidas, exceto por algumas espécies de Archaea que utilizam uma monocamada lipídica especialmente adaptada. Foi até proposto que a primeira forma de vida possa ter sido uma vesícula lipídica simples, com praticamente sua única capacidade de biossintética sendo a produção de mais fosfolipídios. A capacidade de particionamento da bicamada lipídica baseia -se no fato de que as moléculas hidrofílicas não podem facilmente atravessar o núcleo de bicamada hidrofóbica, como discutido no transporte através da bicamada abaixo. O núcleo, mitocôndrias e cloroplastos têm duas bicamadas lipídicas, enquanto outras estruturas subcelulares são cercadas por uma única bicamada lipídica (como os membranas plasmáticos, retícula endoplasmática, aparelhos de Golgi e lisossomos). Veja organela.

Os

procariotos têm apenas uma bicamada lipídica - a membrana celular (também conhecida como membrana plasmática). Muitos procariontes também têm uma parede celular, mas a parede celular é composta por proteínas ou carboidratos de cadeia longa, não lipídios. Por outro lado, os eucariotos têm uma gama de organelas, incluindo núcleo, mitocôndrias, lisossomos e retículo endoplasmático. Todos esses compartimentos subcelulares são cercados por uma ou mais bicamadas lipídicas e, juntas, normalmente compreendem a maioria da área de bicamada presente na célula. Nos hepatócitos hepáticos, por exemplo, a membrana plasmática é responsável por apenas dois por cento da área total de bicamadas da célula, enquanto o retículo endoplasmático contém mais de cinquenta por cento e as mitocôndrias com mais trinta por cento.

A forma mais familiar de sinalização celular é provavelmente a transmissão sináptica, pela qual um impulso nervoso que atingiu o final de um neurônio é transmitido a um neurônio adjacente através da liberação de neurotransmissores. Essa transmissão é possível pela ação das vesículas sinápticas que estão, dentro da célula, carregadas com os neurotransmissores a serem liberados posteriormente. Essas vesículas carregadas se fundem com a membrana celular no terminal pré-sináptico e seu conteúdo é liberado no espaço fora da célula. O conteúdo então se difunde através da sinapse para o terminal pós-sináptico.

As bicamadas lipídicas também estão envolvidas na transdução de sinal por meio de seu papel como casa das proteínas da membrana integral. Esta é uma classe extremamente ampla e importante de biomolécula. Estima -se que até um terço do proteoma humano sejam proteínas da membrana. Algumas dessas proteínas estão ligadas ao exterior da membrana celular. Um exemplo disso é a proteína CD59, que identifica as células como "eu" e, portanto, inibe sua destruição pelo sistema imunológico. O vírus do HIV evita o sistema imunológico em parte, enxertando essas proteínas da membrana do hospedeiro em sua própria superfície. Como alternativa, algumas proteínas da membrana penetram em toda a bicamada e servem para retransmitir eventos de sinal individuais de fora para o interior da célula. A classe mais comum desse tipo de proteína é o receptor acoplado à proteína G (GPCR). Os GPCRs são responsáveis por grande parte da capacidade de sentir seu ambiente e, devido a esse importante papel, aproximadamente 40% de todos os medicamentos modernos são direcionados a GPCRs.

Além dos processos mediados por proteínas e soluções, também é possível que as bicamadas lipídicas participem diretamente na sinalização. Um exemplo clássico disso é a fagocitose acionada por fosfatidilserina. Normalmente, a fosfatidilserina é distribuída assimetricamente na membrana celular e está presente apenas no lado interior. Durante a morte celular programada, uma proteína chamada Scramblase equilibra essa distribuição, exibindo fosfatidilserina na face da bicamada extracelular. A presença de fosfatidilserina desencadeia a fagocitose para remover a célula morta ou moribunda.

A bicamada lipídica é uma estrutura muito difícil de estudar porque é muito fina e frágil. Apesar dessas limitações, dezenas de técnicas foram desenvolvidas nos últimos setenta anos para permitir investigações de sua estrutura e função.

As medições

elétricas são uma maneira direta de caracterizar uma função importante de uma bicamada: sua capacidade de segregar e impedir o fluxo de íons em solução. Ao aplicar uma tensão na bicamada e medir a corrente resultante, a resistência da bicamada é determinada. Essa resistência é tipicamente bastante alta (10 8 ohm-cm 2 ou mais), uma vez que o núcleo hidrofóbico é impermeável a espécies carregadas. A presença de até alguns orifícios em escala de nanômetros resulta em um aumento dramático na corrente. A sensibilidade desse sistema é tal que mesmo a atividade dos canais de íons únicos pode ser resolvida.

Uma bicamada lipídica não pode ser vista com um microscópio tradicional porque é muito fino; portanto, os pesquisadores geralmente usam microscopia de fluorescência. Uma amostra é excitada com um comprimento de onda de luz e observada em outra, de modo que apenas moléculas fluorescentes com um perfil de excitação e emissão correspondentes serão vistas.

Uma bicamada lipídica natural não é fluorescente; portanto, pelo menos um corante fluorescente precisa ser conectado a algumas das moléculas da bicamada. A resolução geralmente é limitada a algumas centenas de nanômetros, que infelizmente são muito maiores que a espessura de uma bicamada lipídica.

A microscopia eletrônica oferece uma imagem de maior resolução. Em um microscópio eletrônico, um feixe de elétrons focados interage com a amostra em vez de um feixe de luz como na microscopia tradicional. Em conjunto com técnicas de congelamento rápido, a microscopia eletrônica também foi usada para estudar os mecanismos de transporte inter e intracelular, por exemplo, ao demonstrar que as vesículas exocitóticas são os meios de liberação química nas sinapses.

31 P-NMR (espectroscopia de ressonância magnética nuclear) é amplamente utilizada para estudos de bicamadas fosfolipídicas e membranas biológicas em condições nativas. A análise de espectros de lipídios de 31 p-nmr pode fornecer uma ampla gama de informações sobre empacotamento de bicamada lipídica, transições de fase (fase em gel, fase de cristal líquido fisiológico, fases de ondulação, fases não-camadas), cabeça lipídica Orientação/dinâmica do grupo e propriedades elásticas da bicamada lipídica pura e como resultado da ligação de proteínas e outras biomoléculas.

Um novo método para estudar bicamadas lipídicas é a microscopia da força atômica (AFM). Em vez de usar um feixe de luz ou partículas, uma ponta muito afiada varre a superfície, fazendo contato físico com a bicamada e movendo-se através dele, como uma agulha de gravador. AFM é uma técnica promissora porque tem o potencial de imagem com resolução de nanométricas à temperatura ambiente e mesmo sob água ou buffer fisiológico, condições necessárias para o comportamento natural de bicamada. Utilizando essa capacidade, a AFM tem sido usada para examinar o comportamento bicamada dinâmico, incluindo a formação de poros transmembranos (buracos) e transições de fase em bicamadas suportadas. Outra vantagem é que a AFM não requer rotulagem fluorescente ou isotópica dos lipídios, uma vez que a ponta da sonda interage mecanicamente com a superfície da bicamada. Devido a isso, a mesma varredura pode imagem tanto lipídios e proteínas associadas, às vezes mesmo com resolução monomolécula. AFM também pode sondar a natureza mecânica de bicamadas lipídicas.

Bicamadas lipídicas apresentam altos níveis de birrefringência onde o índice de refração no plano da bicamada difere daquele perpendicular por até 0,1 unidades de índice de refração. Isso tem sido usado para caracterizar o grau de ordem e ruptura em bicamadas usando interferometria de polarização dupla para entender mecanismos de interação proteica.

As bicamadas lipídicas são sistemas moleculares complicados com muitos graus de liberdade. Assim, a simulação atomista da membrana e, em particular, os cálculos ab initio de suas propriedades é difícil e computacionalmente caro. Cálculos químicos quânticos foram recentemente realizados com sucesso para estimar os momentos de dipolo e quadrupol de membranas lipídicas.

A maioria das moléculas polares tem baixa solubilidade no núcleo de hidrocarbonetos de uma bicamada lipídica e, como conseqüência, possui baixos coeficientes de permeabilidade em toda a bicamada. Esse efeito é particularmente pronunciado para espécies carregadas, que têm coeficientes de permeabilidade ainda mais baixos do que as moléculas polares neutras. Os ânions geralmente têm uma taxa de difusão mais alta através de bicamadas do que os cátions. Comparados aos íons, as moléculas de água realmente têm uma permeabilidade relativamente grande através da bicamada, como evidenciado pelo inchaço osmótico. Quando uma célula ou vesícula com alta concentração de sal interior é colocada em uma solução com baixa concentração de sal, ela incha e eventualmente explodeá. Tal resultado não seria observado, a menos que a água pudesse passar pela bicamada com relativa facilidade. A permeabilidade anomalamente grande da água através de bicamadas ainda não é completamente compreendida e continua sendo objeto de debate ativo. Pequenas moléculas apolares não carregadas difundem através de bicamadas lipídicas muitas ordens de magnitude mais rápidas que íons ou água. Isso se aplica a gorduras e solventes orgânicos como clorofórmio e éter. Independentemente de seu caráter polar, moléculas maiores se difundem mais lentamente entre bicamadas lipídicas do que moléculas pequenas.

Duas classes especiais de proteína lidam com os gradientes iônicos encontrados nas membranas celulares e subcelulares nos canais de íons e bombas de íons naturais. Bombas e canais são proteínas integrais da membrana que passam pela bicamada, mas seus papéis são bem diferentes. As bombas de íons são as proteínas que constroem e mantêm os gradientes químicos, utilizando uma fonte de energia externa para mover íons contra o gradiente de concentração para uma área de maior potencial químico. A fonte de energia pode ser ATP, como é o caso do Na+ -k+ ATPase. Como alternativa, a fonte de energia pode ser outro gradiente químico já em vigor, como no antiporter Ca2+/Na+. É através da ação das bombas de íons que as células são capazes de regular o pH através do bombeamento de prótons.

Ao contrário das bombas de íons, os canais de íons não constroem gradientes químicos, mas dissipam -os para realizar trabalhos ou enviar um sinal. Provavelmente, o exemplo mais familiar e melhor estudado é o canal Na+ dependente de tensão, que permite a condução de um potencial de ação ao longo dos neurônios. Todas as bombas de íons têm algum tipo de mecanismo de gatilho ou "bloqueio". No exemplo anterior, era viés elétrico, mas outros canais podem ser ativados ligando um agonista molecular ou através de uma mudança conformacional em outra proteína próxima.

Algumas moléculas ou partículas são muito grandes ou hidrofílicas demais para passar por uma bicamada lipídica. Outras moléculas podem passar pela bicamada, mas devem ser transportadas rapidamente em números tão grandes que o transporte do tipo canal é impraticável. Nos dois casos, esses tipos de carga podem ser movidos através da membrana celular através da fusão ou brotamento das vesículas. Quando uma vesícula é produzida dentro da célula e funde com a membrana plasmática para liberar seu conteúdo no espaço extracelular, esse processo é conhecido como exocitose. No processo reverso, uma região da membrana celular escurece para dentro e, eventualmente, beliscará, envolvendo uma parte do líquido extracelular para transportá -lo para a célula. A endocitose e a exocitose dependem de máquinas moleculares muito diferentes para funcionar, mas os dois processos estão intimamente ligados e não podem funcionar sem o outro. O principal mecanismo dessa interdependência é a grande quantidade de material lipídico envolvido. Em uma célula típica, uma área de bicamada equivalente a toda a membrana plasmática viajará pelo ciclo de endocitose/exocitose em cerca de meia hora. Se esses dois processos não estivessem se equilibrando, a célula balançaria para fora para um tamanho incontrolável ou esgotar completamente sua membrana plasmática em pouco tempo.

Exocitose em procariontes : exocitose vesicular da membrana, popularmente conhecida como tráfico de vesículas de membrana, um processo de vencedor do Prêmio Nobel (ano de 2013), é tradicionalmente considerado como uma prerrogativa de células eucarióticas. No entanto, esse mito foi quebrado com a revelação de que as nanovesículas, popularmente conhecidas como vesículas de membrana externa bacteriana, liberadas por micróbios gram-negativos, translocam moléculas de sinal bacteriano para hospedeiro ou alvo para realizar vários processos a favor de O micróbio secreto, por exemplo, nas interações host invasão de células e micróbios-ambiente, em geral.

Eletroporação é o rápido aumento da permeabilidade à bicamada induzida pela aplicação de um grande campo elétrico artificial através da membrana. Experimentalmente, a eletroporação é usada para introduzir moléculas hidrofílicas nas células. É uma técnica particularmente útil para moléculas grandes altamente carregadas, como o DNA, que nunca se difundiriam passivamente no núcleo de bicamada hidrofóbica. Por esse motivo, a eletroporação é um dos principais métodos de transfecção e transformação bacteriana. Foi até proposto que a eletroporação resultante de ataques de raios poderia ser um mecanismo de transferência de genes horizontais naturais.

Esse aumento na permeabilidade afeta principalmente o transporte de íons e outras espécies hidratadas, indicando que o mecanismo é a criação de orifícios cheios de água em escala de NM na membrana. Embora a eletroporação e a quebra dielétrica resultem da aplicação de um campo elétrico, os mecanismos envolvidos são fundamentalmente diferentes. Na quebra dielétrica, o material da barreira é ionizado, criando um caminho condutor. A alteração do material é, portanto, de natureza química. Por outro lado, durante a eletroporação, as moléculas lipídicas não são quimicamente alteradas, mas simplesmente mudam de posição, abrindo um poro que atua como o caminho condutor através da bicamada, pois é preenchido com água.

As bicamadas lipídicas são grandes estruturas suficientes para ter algumas das propriedades mecânicas de líquidos ou sólidos. O módulo de compressão da área K_um, modulus de flexão K_b), e energia de borda $- Sim.$, pode ser usado para descrevê-los. Bicamadas lipídicas sólidas também têm um módulo de cisalhamento, mas como qualquer líquido, o módulo de cisalhamento é zero para bicamadas de fluido. Estas propriedades mecânicas afetam como a membrana funciona. KK_um e K_b) afetar a capacidade de proteínas e moléculas pequenas para inserir na bicamada, e as propriedades mecânicas de bicamada foram mostradas para alterar a função dos canais de íons ativados mecanicamente. Propriedades mecânicas de bicamada também governam que tipos de estresse uma célula pode suportar sem rasgar. Embora as bicamadas lipídicas possam facilmente dobrar-se, a maioria não pode esticar mais de alguns por cento antes de ruturar.

Conforme discutido na seção Estrutura e organização, a atração hidrofóbica das caudas lipídicas na água é a força primária que mantém as bicamadas lipídicas juntas. Assim, o módulo elástico da bicamada é determinado principalmente por quanta área extra é exposta à água quando as moléculas lipídicas são esticadas. Não é de surpreender, dada a compreensão das forças envolvidas, que os estudos mostraram que K A varia fortemente com a pressão osmótica, mas apenas fracamente com o comprimento da cauda e a insaturação. Como as forças envolvidas são muito pequenas, é difícil determinar experimentalmente k a . A maioria das técnicas requer microscopia sofisticada e equipamentos de medição muito sensíveis.

Em contraste com k a , que é uma medida de quanta energia é necessária para esticar a bicamada, k Dobre ou flexione a bicamada. Formalmente, o módulo de flexão é definido como a energia necessária para deformar uma membrana de sua curvatura intrínseca para alguma outra curvatura. A curvatura intrínseca é definida pela proporção do diâmetro do grupo principal para o grupo da cauda. Para lipídios para PC bicaudal, essa proporção é quase uma, portanto a curvatura intrínseca é quase zero. Se um lipídio específico tiver um desvio muito grande da curvatura intrínseca zero, ele não formará uma bicamada e formará outras fases, como micelas ou micelas invertidas. A adição de pequenas moléculas hidrofílicas como sacarose em lipossomas lamelares lipídicos misturados feitos de membranas tilacóides ricas em galactolipides desestabilizam bicayers em micelar > fase. Normalmente, K B não é medido experimentalmente, mas é calculado a partir de medições de K e espessura de bicamada, uma vez que os três parâmetros estão relacionados.

$- Sim.$ é uma medida de quanta energia é necessária para expor uma borda de bicamada à água, rasgando a bicamada ou criando um buraco nela. A origem desta energia é o fato de que a criação de tal interface expõe algumas das caudas lipídicas à água, mas a orientação exata desses lipídios de fronteira é desconhecida. Há algumas evidências de que ambos os poros hidrofóbicos (linhas retas) e hidrofílicos (cabeças curvadas ao redor) podem coexistir.

A fusão é o processo pelo qual duas bicamadas lipídicas se fundem, resultando em uma estrutura conectada. Se essa fusão prosseguir completamente com os dois folhetos de ambas as bicamadas, uma ponte cheia de água será formada e as soluções contidas pelas bicamadas podem se misturar. Como alternativa, se apenas um folheto de cada bicamada estiver envolvido no processo de fusão, diz -se que as bicamadas são hemifusadas. A fusão está envolvida em muitos processos celulares, em particular em eucariotos, uma vez que a célula eucariótica é extensivamente subdividida pelas membranas de bicamada lipídica. A exocitose, a fertilização de um ovo pela ativação de espermatozóides e o transporte de resíduos para o lisozome são alguns dos muitos processos eucarióticos que dependem de alguma forma de fusão. Até a entrada de patógenos pode ser governada por fusão, pois muitos vírus revestidos com bicamada têm proteínas de fusão dedicadas para obter entrada na célula hospedeira.

Existem quatro etapas fundamentais no processo de fusão. Primeiro, as membranas envolvidas devem se agregar, aproximando -se de dentro de vários nanômetros. Segundo, as duas bicamadas devem entrar em contato muito próximo (dentro de alguns angstroms). Para alcançar esse contato próximo, as duas superfícies devem se tornar pelo menos parcialmente desidratadas, pois a água da superfície ligada normalmente faz com que as bicamadas se repelem fortemente. A presença de íons, em particular cátions divalentes como magnésio e cálcio, afeta fortemente essa etapa. Um dos papéis críticos do cálcio no corpo é a regulação da fusão da membrana. Terceiro, uma desestabilização deve se formar em um ponto entre as duas bicamadas, distorcendo localmente suas estruturas. A natureza exata dessa distorção não é conhecida. Uma teoria é que um haste altamente curvo " deve se formar entre as duas bicamadas. Os proponentes dessa teoria acreditam que explica por que a fosfatidiletanolamina, um lipídeo altamente curvo, promove a fusão. Finalmente, na última etapa da fusão, esse defeito de ponto cresce e os componentes das duas bicamadas se misturam e se difundem do local de contato.

A situação é ainda mais complicada ao considerar a fusão in vivo, pois a fusão biológica é quase sempre regulada pela ação de proteínas associadas à membrana. A primeira dessas proteínas a serem estudadas foram as proteínas de fusão viral, que permitem que um vírus envolto insira seu material genético na célula hospedeira (os vírus envolvidos são aqueles cercados por uma bicamada lipídica; alguns outros têm apenas um revestimento de proteína). As células eucarióticas também usam proteínas de fusão, as mais bem estudadas são as armadilhas. As proteínas da armadilha são usadas para direcionar todo o tráfico intracelular vesicular. Apesar dos anos de estudo, muito ainda é desconhecido sobre a função dessa classe de proteínas. De fato, ainda existe um debate ativo sobre se as armadilhas estão ligadas ao acoplamento precoce ou participam posteriormente no processo de fusão, facilitando a hemifusão.

Em estudos de biologia molecular e celular, muitas vezes é desejável induzir artificialmente a fusão. A adição de polietileno glicol (PEG) causa fusão sem agregação significativa ou ruptura bioquímica. Este procedimento agora é usado extensivamente, por exemplo, fundindo células B com células de mieloma. O “hibridoma” resultante dessa combinação expressa um anticorpo desejado, conforme determinado pela célula B envolvido, mas é imortalizado devido ao componente de melanoma. A fusão também pode ser induzida artificialmente através da eletroporação em um processo conhecido como eletrofusão. Acredita -se que esse fenômeno resulta das arestas energeticamente ativas formadas durante a eletroporação, que pode atuar como o ponto de defeito local para nuclear o crescimento do caule entre duas bicamadas.

As bicamadas lipídicas podem ser criadas artificialmente no laboratório para permitir que os pesquisadores realizem experimentos que não podem ser feitos com bicamadas naturais. Eles também podem ser usados no campo da biologia sintética, para definir os limites das células artificiais. Esses sistemas sintéticos são chamados de bicamadas lipídicas modelo. Existem muitos tipos diferentes de bicamadas modelo, cada uma com vantagens e desvantagens experimentais. Eles podem ser feitos com lipídios sintéticos ou naturais. Entre os sistemas modelo mais comuns estão:

• Membranas lipídicas pretas (BLM)
• Bicamadas lipídicas suportadas (SLB)
• Membranas Líquidas de Bilayer Tethered (t-BLM)
• Veículos
• Bicamadas de interface de gotícula (DIBs)

Até o momento, a aplicação comercial mais bem -sucedida de bicamadas lipídicas tem sido o uso de lipossomas para a administração de medicamentos, especialmente para tratamento de câncer. (Nota- O termo "lipossomo" é em essência sinônimo de "vesícula", exceto que a vesícula é um termo geral para a estrutura, enquanto o lipossomo se refere apenas a vesículas artificiais e não naturais) a idéia básica da administração de medicamentos lipossômicos é que o medicamento é encapsulado em Solução dentro do lipossomo injetado no paciente. Esses lipossomas carregados de medicamentos viajam pelo sistema até se ligarem no local alvo e se romper, liberando o medicamento. Em teoria, os lipossomas devem ser um sistema ideal de administração de medicamentos, pois podem isolar quase qualquer fármaco hidrofílico, podem ser enxertados com moléculas para atingir tecidos específicos e podem ser relativamente não tóxicos, pois o corpo possui vias bioquímicas para degradação de lipídios.

A primeira geração de lipossomas de entrega de medicamentos teve uma composição lipídica simples e sofria de várias limitações. A circulação na corrente sanguínea foi extremamente limitada devido à limpeza renal e fagocitose. O refinamento da composição lipídica para ajustar a fluidez, a densidade da carga superficial e a hidratação da superfície resultou em vesículas que adsorvem menos proteínas do soro e, portanto, são menos prontamente reconhecidas pelo sistema imunológico. O avanço mais significativo nessa área foi o enxerto de polietileno glicol (PEG) na superfície do lipossomo para produzir vesículas "furtivas", que circulam por longos períodos sem limpeza imunológica ou renal.

Os primeiros lipossomas furtivos foram passivamente direcionados para os tecidos tumorais. Como os tumores induzem a angiogênese rápida e não controlada, eles são especialmente "com vazamentos" e permitem que os lipossomas saíssem da corrente sanguínea a uma taxa muito mais alta que o tecido normal. Mais recentemente, foram realizados trabalhos para anticorpos enxertos ou outros marcadores moleculares na superfície do lipossomo na esperança de ligá -los ativamente a uma célula ou tipo de tecido específico. Alguns exemplos dessa abordagem já estão em ensaios clínicos.

Outra aplicação potencial de bicamadas lipídicas é o campo dos biossensores. Como a bicamada lipídica é a barreira entre o interior e o exterior da célula, também é o local da extensa transdução de sinal. Pesquisadores ao longo dos anos tentaram aproveitar esse potencial para desenvolver um dispositivo baseado em bicamada para diagnóstico clínico ou detecção de bioterrorismo. O progresso tem sido lento nessa área e, embora algumas empresas tenham desenvolvido sistemas automatizados de detecção baseados em lipídios, eles ainda são direcionados à comunidade de pesquisa. Isso inclui o Biacore (agora a GE Healthcare Life Sciences), que oferece um chip descartável para utilizar bicamadas lipídicas em estudos de cinética de ligação e Nanion Inc., que desenvolveu um sistema de fixação de patches automatizado. Outras aplicações mais exóticas também estão sendo buscadas, como o uso de poros da membrana de bicamada lipídica para sequenciamento de DNA por nanolabs de Oxford. Até o momento, essa tecnologia não se mostrou comercialmente viável.

Uma bicamada lipídica suportada (SLB), como descrito acima, alcançou o sucesso comercial como uma técnica de triagem para medir a permeabilidade dos medicamentos. Este p aralle a rtificial m Embrane p Eability a ssay Pampa Technique mede o A permeabilidade em todo o (s) coquetel (s) lipídico (s) formulado (s) considerado altamente correlacionado com as culturas de Caco-2, o trato gastrointestinal, a barreira sanguínea e a pele.

No início do século XX, os cientistas passaram a acreditar que as células estão cercadas por uma fina barreira semelhante a óleo, mas a natureza estrutural dessa membrana não era conhecida. Dois experimentos em 1925 lançaram as bases para preencher essa lacuna. Ao medir a capacitância das soluções de eritrócitos, Hugo Fricke determinou que a membrana celular tinha 3,3 nm de espessura.

Embora os resultados desse experimento tenham sido precisos, Fricke interpretou mal os dados para significar que a membrana celular é uma única camada molecular. O Dr. Evert Gorter (1881-1954) e F. Grendel, da Universidade de Leiden, abordaram o problema de uma perspectiva diferente, espalhando os lipídios dos eritrócitos como uma monocamada em uma calha de Langmuir-Blodgett. Quando compararam a área da monocamada à área de superfície das células, encontraram uma proporção de dois para um. Análises posteriores mostraram vários erros e suposições incorretas com esse experimento, mas, acaso, esses erros cancelados e a partir desses dados falhos Gorter e Grendel tiraram a conclusão correta- que a membrana celular é uma bicamada lipídica.

Essa teoria foi confirmada através do uso de microscopia eletrônica no final da década de 1950. Embora ele não tenha publicado o primeiro estudo de microscopia eletrônica de bicamadas lipídicas, J. David Robertson foi o primeiro a afirmar que as duas bandas densas de elétrons escuras eram os grupos de cabeça e proteínas associadas de duas monocamadas lipídicas. Nesse corpo de trabalho, Robertson apresentou o conceito de "membrana da unidade". Foi a primeira vez que a estrutura da bicamada foi universalmente atribuída a todas as membranas celulares, bem como às membranas de organelas.

Na mesma época, o desenvolvimento de membranas modelo confirmou que a bicamada lipídica é uma estrutura estável que pode existir independentemente das proteínas. Ao “pintar” uma solução de lipídio em solvente orgânico em uma abertura, Mueller e Rudin foram capazes de criar uma bicamada artificial e determinar que isso exibia fluidez lateral, alta resistência elétrica e autocura em resposta à punção, todas as quais são propriedades de uma membrana celular natural. Alguns anos depois, Alec Bangham mostrou que as bicamadas, na forma de vesículas lipídicas, também poderiam ser formadas simplesmente expondo uma amostra lipídica seca à água. Esse foi um avanço importante, pois demonstrou que as bicamadas lipídicas se formam espontaneamente por meio da montagem auto -montagem e não requerem uma estrutura de suporte padronizada.

Em 1977, uma membrana de bicamada totalmente sintética foi preparada por Kunitake e Okahata, a partir de um único composto orgânico, didodecyldimetilamonium brometo. Isso mostra claramente que a membrana da bicamada foi montada pelas forças intermoleculares.

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• Biofísica da membrana
• Polimorfismo lipídico
• Lipidomics

• LIPIDAT Uma extensa base de dados de propriedades físicas lipídicas
• Structure of Fluid Lipid Bilayers Arquivado em 11 de abril de 2011 no Wayback Machine Simulations e links de publicação relacionados à estrutura seccional transversal de bilayers lipídicos.