Uma bicamada lipídica , ou dupla camada lipídica , é uma membrana polar fina composta por duas folhas de moléculas lipídicas . Essas membranas formam uma barreira contínua ao redor das células e são um elemento essencial para garantir sua homeostase , regulando a difusão de íons e moléculas através dela. A membrana celular de quase todos os organismos vivos e de muitos vírus é composta por uma bicamada lipídica, assim como as membranas que envolvem o núcleo da célula e as organelas . As bicamadas lipídicas são impermeáveis a moléculas hidrofílicas e especialmente a íons, o que permite que as células regulem em particular o pH e a salinidade de seu citosol usando proteínas transmembrana, fornecendo uma função de transportador de membrana capaz de gerar e manter um gradiente de concentração de várias espécies químicas entre o citoplasma e o meio extracelular .
As membranas biológicas são compostas principalmente por fosfolipídios , cujas moléculas, anfifílicas , compreendem um pólo frontal e duas caudas alifáticas . Essas moléculas, quando em meio aquoso , se organizam de forma a minimizar as interações entre as caudas alifáticas e as moléculas de água, adotando por automontagem molecular uma configuração em micelas , lipossomas , vesículas ou camadas duplas de lipídios. , em que as cabeças polares estão em contato com a água enquanto as caudas alifáticas se unem para formar um meio quase completamente anidro . As bicamadas lipídicas sendo muito finas e muito frágeis, seu estudo é delicado e requer técnicas avançadas de microscopia eletrônica e microscopia de força atômica .
A natureza e a configuração dos grupos presentes nas cabeças hidrofílicas das bicamadas lipídicas determinam as propriedades químicas de sua superfície. Certos padrões moleculares são, por exemplo, capazes de identificar uma célula com vistas à sua eliminação pelo sistema imunológico . A natureza das caudas alifáticas condiciona as propriedades físicas da membrana, em particular a sua temperatura de fusão: quanto mais longas as caudas e as lineares, mais tendem a congelar, formando um cristal bidimensional de moléculas lipídicas ordenadas; as interações entre as moléculas dentro da bicamada lipídica também determinam as propriedades mecânicas da membrana, em particular sua resistência ao alongamento e flexão . Essas propriedades são frequentemente estudadas em laboratório usando modelos artificiais de bicamadas lipídicas, com determinados parâmetros controlados.
As membranas biológicas geralmente contêm outros lipídios além dos fosfolipídios. Assim, o nível de colesterol das membranas das células animais é um parâmetro importante que determina as propriedades físico-químicas dessas membranas, em particular pelo aumento da sua resistência e da sua impermeabilidade. O colesterol também ajuda a regular a atividade de certas proteínas integrais da membrana , que funcionam quando são integradas a uma membrana biológica, algumas delas, por exemplo, envolvidas em muitos processos de fusão de duas camadas, como no caso da fertilização de um óvulo por um espermatozóide ou a entrada de um vírus em uma célula.
Uma bicamada lipídica é uma estrutura muito fina em comparação com sua extensão. O diâmetro de uma célula do mamífero é tipicamente cerca de dez mícrons ( 1 mícron = 10 -6 m ), enquanto a espessura de uma membrana plasmática é da ordem de vários nanômetros ( 1 nm = 10 -9 m ). O corte transversal de uma bicamada lipídica mostra várias áreas bem diferenciadas, com propriedades específicas e as interações ambientais são estudadas usando técnicas que incluem refletividade de raios-X de espalhamento de nêutrons (en) e ressonância magnética nuclear .
A região externa de cada lado da bicamada lipídica é composta pelas cabeças hidrofílicas dos lipídeos . Esta região está totalmente hidratada e tem aproximadamente 0,8 a 0,9 nm de espessura. O grupo fosfato dos fosfolipídios é encontrado nesta região, aproximadamente 0,5 nm fora do núcleo hidrofóbico . Em alguns casos, a região hidratada pode se expandir muito mais, por exemplo, quando proteínas ou carboidratos estão ligados às cabeças hidrofílicas. É o caso, por exemplo, da camada de lipopolissacarídeo que reveste a membrana externa de certas bactérias , ajudando a manter uma camada hidratada ao redor desse microrganismo e, portanto, evitando sua desidratação .
Imediatamente abaixo da região hidratada, entre ela e o núcleo hidrofóbico, está uma região intermediária com cerca de 0,3 nm de espessura e parcialmente hidratada. Em toda esta região, a concentração molar na água aumenta de cerca de 2 mol · L -1 do lado hidrofílico para quase zero do lado hidrofóbico. A região hidrofóbica tem cerca de 3 a 4 nm de espessura , mas este valor depende muito da natureza das moléculas lipídicas que a constituem, bem como da temperatura, em particular em torno da transição de fase (temperatura de fusão da membrana).
A composição dos folhetos internos e externos é diferente em muitas bicamadas lipídicas naturais. Os deslizamentos internos ( citoplasmáticos ) de eritrócitos humanos (glóbulos vermelhos) consistem essencialmente em fosfatidiletanolamina , fosfatidilserina , fosfatidilinositol e fosfoinositidos . As camadas externas, por outro lado, consistem essencialmente de fosfatidilcolina , esfingomielina e glicolipídeos . Em alguns casos, essa assimetria surge de onde os lipídios são produzidos na célula e reflete sua orientação original. O significado biológico da assimetria da composição lipídica das membranas biológicas não é totalmente compreendido, mas está claro que está envolvida em muitos processos biológicos. Assim, durante a apoptose , a fosfatidilserina do folheto interno passa para o folheto externo, onde é reconhecida pelos macrófagos , que o eliminam.
Essa assimetria resulta, pelo menos em parte, do fato de que a maioria dos lipídios é produzida e inserida no folheto interno das bicamadas lipídicas. Alguns são então transferidos para o folheto externo por um tipo de enzima específica chamada floppases. Por outro lado, outros lipídios, como a esfingomielina, parecem ser produzidos no folheto externo.
Além das flopases, existem outras enzimas que transferem lipídios entre os folhetos de uma bicamada lipídica: flippases , que transferem certos lipídeos do folheto externo para o folheto interno, e scramblases , que os transferem de um lado para o outro , aleatoriamente, como no caso de fosfatidilserina durante um processo de apoptose. No entanto, a assimetria na composição lipídica das duas camadas de uma membrana celular normalmente não se dissipa rapidamente porque as mudanças espontâneas de lipídeos de uma lâmina para outra são eventos extremamente raros.
É possível reproduzir tal assimetria em laboratório ao realizar modelos sintéticos de bicamadas lipídicas. Alguns tipos de vesículas sintéticas muito pequenas tornam-se espontaneamente assimétricas, mas o mecanismo que produz essa assimetria é muito diferente daquele que funciona nas membranas biológicas. Bicamadas sintéticas de composição lipídica assimétrica também podem ser produzidas sobrepondo duas monocamadas de Langmuir-Blodgett ou fundindo as lâminas de uma vesícula e uma camada de Langmuir-Blodgett. Essa assimetria pode, no entanto, desaparecer com o tempo, na medida em que os lipídios dessas bicamadas tendem a mudar de uma folha para outra, o que homogeneiza sua composição.
Todos os lipídios têm uma temperatura de transição de fase característica chamada fusão, na qual mudam do estado de gel para o estado líquido . As membranas biológicas também têm uma temperatura de fusão que depende de sua composição lipídica: uma membrana congelada consiste em moléculas que se difundem virtualmente, enquanto uma membrana líquida consiste em moléculas que atuam em sua folha lipídica de bicamada trocando sua posição com uma molécula vizinha vários milhões de vezes por segundo; em ambos os casos, as difusões transversais (osciladores) de uma folha para outra permanecem muito raras.
As propriedades físicas das fases das bicamadas lipídicas são amplamente determinadas pelas forças de van der Waals entre as moléculas lipídicas adjacentes e essas forças são exercidas principalmente entre as caudas hidrofóbicas dos lipídeos . Quanto mais longas essas caudas hidrofóbicas, mais possibilidades elas oferecem para interações com moléculas vizinhas em sua folha de bicamada, o que diminui a fluidez da membrana e aumenta seu ponto de fusão. Por outro lado, lipídios curtos oferecem menos possibilidades de interação com moléculas vizinhas, o que aumenta a fluidez da membrana e diminui seu ponto de fusão.
Além do comprimento das cadeias alifáticas dos fosfolipídios , seu grau de insaturação também pode influenciar a temperatura de fusão das membranas biológicas. Na verdade, uma ligação dupla geralmente introduz uma curvatura nas caudas hidrofóbicas dos lipídios da membrana, o que interrompe seu empilhamento dentro de seu folheto da bicamada lipídica, reduzindo as possibilidades de interações entre moléculas vizinhas, portanto, fluidificação da membrana. E diminuindo o ponto de fusão das mesmas. ; o empilhamento mais frouxo de moléculas de lipídios também tem a consequência de aumentar a permeabilidade da membrana a íons e a moléculas pequenas, como a água .
A maioria das membranas naturais é uma mistura complexa de diferentes moléculas de lipídios. Se alguns constituintes são líquidos a uma determinada temperatura, enquanto outros são congelados a essa temperatura, as duas fases podem coexistir em regiões separadas da membrana. Esta separação de fases desempenha um papel determinante nos fenômenos bioquímicos, na medida em que componentes da membrana, como proteínas, podem separar uma fase e a outra e, portanto, ser localmente concentrados ou ativados. Um constituinte particularmente importante de muitos sistemas de fase mista é o colesterol , que modula a permeabilidade, a resistência mecânica e as interações bioquímicas das bicamadas lipídicas.
Enquanto as caudas hidrofóbicas dos lipídios determinam principalmente as propriedades físicas das membranas, a natureza química das cabeças polares determina principalmente as propriedades químicas de sua superfície. As bicamadas lipídicas biológicas consistem principalmente em fosfolipídios, bem como em uma proporção variável de esfingolipídios , como a esfingomielina, e esteróis , como o colesterol . Entre os fosfolipídios, os mais abundantes são as fosfatidilcolinas (PCs), que constituem cerca de metade dos fosfolipídios nas células de mamíferos . A fosfocolina forma um grupo principal zwitteriônico porque carrega uma carga elétrica negativa no grupo fosfato e uma carga elétrica positiva no amônio quaternário , resultando em uma carga zero para toda a molécula.
Além das fosfatidilcolinas, as membranas biológicas incluem fosfatidilserinas (PS), fosfatidiletanolaminas (PE) e fosfatidilgliceróis (PG). Esses grupos principais alternativos freqüentemente conferem funcionalidade biológica específica que é muito dependente do contexto. Por exemplo, a presença de fosfatidilserina na camada externa da membrana de plasma de eritrócitos (glóbulos vermelhos) é um marcador celular de apoptose , enquanto a mesma molécula nas vesículas da epífise placa de crescimento é necessário para nucleação. De cristais de hidroxiapatite em o processo de osteogênese . Ao contrário da fosfatidilcolina, a cabeça hidrofílica de outros fosfolipídios carrega uma carga elétrica negativa nos grupos fosfato, o que pode afetar as interações eletrostáticas de pequenas moléculas com a bicamada lipídica.
A principal função das membranas biológicas é separar os compartimentos aquosos - vesículas , organelas , células - de seu ambiente: separação entre o conteúdo das vesículas e organelas por um lado e o citosol por outro, e separação entre o citoplasma e ambiente extracelular . Essa função é essencial a todas as formas de vida conhecidas e é intrínseca à própria definição de organismo vivo . Essa barreira assume a forma de uma bicamada lipídica na maioria dos seres vivos, exceto certas arquéias cuja membrana plasmática consiste em uma monocamada de determinados eterlipídeos .
A primeira forma de vida a aparecer na Terra poderia, portanto, ter sido uma simples vesícula na forma de um lipossoma aprisionando um mínimo de informação genética (codificada no DNA ou em outros suportes moleculares que agora desapareceram) e algumas moléculas lipossolúveis funcionando como simbolos de fosfato e prótons para produzir energia metabólica destinada a sintetizar mais fosfolipídios de membrana.
A função de separação e confinamento das membranas biológicas é baseada em seu núcleo hidrofóbico, que se opõe à difusão de íons e moléculas polares através delas. O núcleo , as mitocôndrias e os cloroplastos são circundados por uma dupla camada lipídica; outras estruturas - como a membrana plasmática , o retículo endoplasmático , o aparelho de Golgi e os lisossomas - são circundados por uma única camada lipídica.
A membrana plasmática dos procariontes consiste em uma bicamada lipídica simples, mas pode ser reforçada por uma parede bacteriana composta não por lipídios, mas por proteínas e polissacarídeos . As membranas intracelulares dos eucariotos , sejam formadas por uma única ou dupla camada lipídica, constituem o que se denomina sistema endomembrana , geralmente compreendendo a maior parte da superfície da membrana da célula, mais do que o plasma da membrana. Nos hepatócitos do fígado, por exemplo, a membrana plasmática representa apenas 2% da área de superfície da bicamada lipídica celular, enquanto o retículo endoplasmático representa mais de 50% dessa superfície e a mitocódria cerca de 30% a mais.
Talvez a forma mais comum de sinalização celular seja a transmissão sináptica , em que um impulso nervoso que atingiu o final de um axônio é transmitido ao próximo neurônio por meio da liberação de neurotransmissores . Essa transmissão é possibilitada pela ação de vesículas sinápticas carregadas de neurotransmissores a serem liberadas para a transmissão do sinal. Essas vesículas se fundem com a membrana plasmática do neurônio no terminal pré-sináptico e liberam seu conteúdo para fora da célula. Os neurotransmissores liberados então se difundem através da sinapse para o terminal pós-sináptico.
As bicamadas lipídicas também estão envolvidas nos mecanismos de transdução de sinal , pois abrigam proteínas integrais de membrana . Os últimos formam uma classe muito importante e muito vasta de biomoléculas. Estima-se que o proteoma humano consista em talvez até um terço das proteínas de membrana .
Algumas dessas proteínas estão ligadas fora da membrana plasmática . É o caso, por exemplo, da glicoproteína CD59 , ligada à membrana por um resíduo de glicosilfosfatidilinositol , que inibe a polimerização do componente 9 do complemento (in) (C9) levando à formação do complexo de ataque à membrana , que protege a célula da destruição pelo sistema imunológico . O vírus da imunodeficiência humana (HIV) evita a destruição pelo sistema imunológico do hospedeiro, em particular enxertando em sua própria superfície essas proteínas presentes na superfície das células de seu hospedeiro.
Outras proteínas atravessam a membrana e podem transmitir sinais de fora da célula para dentro dela. A principal classe de tais receptores de membrana é a dos receptores acoplados à proteína G (GPCRs). Esses GPCRs são responsáveis por grande parte da capacidade de uma célula de sentir seu ambiente e, por causa dessa função importante, cerca de 40% dos medicamentos modernos têm como alvo os GPCRs.
Além dos processos de sinalização via proteínas ou difusão de transmissores em solução, as bicamadas lipídicas também podem participar diretamente da sinalização celular . Um exemplo clássico é a apoptose desencadeada pela fosfatidilserina . Este último está normalmente presente no folheto interno da bicamada lipídica que forma a membrana plasmática; quando o processo de apoptose começa, uma scramblase catalisa a troca aleatória de fosfatidilserina entre as duas camadas da bicamada, que tem o efeito de equilibrar a concentração de fosfatidilserina em ambos os lados da membrana plasmática. A presença de fosfatidilserina na camada externa da membrana plasmática desencadeia a fagocitose da célula a ser eliminada.
A maioria das moléculas polares são pouco solúveis no núcleo hidrofóbico de uma bicamada lipídica, que portanto não é muito permeável a elas. Esse efeito é particularmente marcante para espécies portadoras de carga elétrica , cujos coeficientes de permeabilidade são menores do que os das mesmas espécies polares neutras. O ânion geralmente se espalha melhor através das bicamadas lipídicas que os cátions . Em comparação com os íons, as moléculas de água realmente desfrutam de uma permeabilidade bastante alta através das membranas, como evidenciado pelo inchaço osmótico das vesículas e células colocadas em um meio aquoso com uma concentração em soluto diminui: este fenômeno não é observado se as membranas biológicas eram impermeáveis à água ; a permeabilidade anormalmente alta das bicamadas lipídicas às moléculas de água ainda não é totalmente compreendida e sua origem continua a ser fortemente debatida. A taxa de difusão de pequenas moléculas não polares e não carregadas através das bicamadas lipídicas é várias ordens de magnitude maior do que a dos íons e da água. Isso é verdadeiro para lipídios e também para solventes orgânicos , como clorofórmio e éter dietílico . Moléculas maiores se difundem mais lentamente, independentemente de sua natureza polar ou apolar.
Duas categorias de proteínas específicas relacionadas aos gradientes de concentração iônica em torno das membranas plasmáticas e intracelulares , como as mitocôndrias e os tilacóides nas células de animais e plantas , respectivamente: as bombas iônicas e os canais iônicos . Em ambos os casos, essas são proteínas integrais de membrana que atravessam a bicamada lipídica, mas seu funcionamento é bastante diferente:
Algumas moléculas ou partículas são muito grandes ou muito hidrofílicas para atravessar a membrana plasmática com eficiência , enquanto outras substâncias, que podem atravessá-la, devem às vezes ser absorvidas pela célula ou expelidas por ela em quantidades que estão além das possibilidades de difusão. transporte por bombas de membrana: em ambos os casos, a célula utiliza os processos de endocitose (absorção) e exocitose (expulsão) dessas substâncias. No primeiro caso, uma invaginação da membrana plasmática envolve a substância a ser absorvida até o seu fechamento, formando uma vesícula intracelular, denominada fagossomo no caso da fagocitose de uma partícula sólida. No segundo caso, uma vesícula se forma dentro da célula e se funde com a membrana plasmática para liberar seu conteúdo no meio extracelular . A endocitose e a exocitose dependem de mecanismos moleculares de funcionamento muito diferentes, mas esses dois processos estão intimamente ligados e não podem funcionar um sem o outro, mesmo que apenas por meio do volume de lipídios da membrana envolvidos. É uma área equivalente a toda a membrana plasmática que normalmente é reciclada a cada meia hora por endocitose e exocitose sucessivas em uma célula normal. Se esses dois processos não se equilibrarem adequadamente, a membrana plasmática verá sua superfície aumentar ou diminuir consideravelmente em poucos minutos, a ponto de comprometer a sobrevivência da célula.
A eletroporação , ou eletroporação , é o rápido aumento da permeabilidade da bicamada lipídica induzida pela aplicação de um campo elétrico externo através da membrana. Experimentalmente, esse fenômeno é usado para introduzir moléculas hidrofílicas nas células, em particular para permitir que grandes moléculas com alta carga elétrica, como o DNA, cruzem a membrana plasmática , o que de outra forma seria impossível para elas. A eletroporação é, portanto, uma das principais vias de transfecção e transformação bacteriana . Foi até proposto que a eletroporação resultante de descargas atmosféricas poderia ser um mecanismo de transferência horizontal de genes .
O aumento da permeabilidade afeta principalmente o transporte de íons e outras espécies hidratadas, o que implica que o mecanismo subjacente é a criação de orifícios totalmente hidratados de dimensões em nanoescala na membrana. A eletroporação e a quebra resultam da aplicação de um campo elétrico à membrana, mas os mecanismos envolvidos nesses dois casos são muito diferentes: a quebra resulta da ionização do dielétrico sob o efeito do campo eletrostático , que o torna condutor ; a eletroporação resulta da reorganização dos lipídios da membrana para formar poros condutores aquosos.