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16.3: Proteínas de Membrana - Biologia


Claramente, as próprias proteínas de membrana têm domínios que mantêm as membranas dentro ou ligadas à membrana, fornecem superfícies catalíticas e permitem interações dentro, através e fora das células e organelas. As membranas ancoram as proteínas de várias maneiras. Como observado, as proteínas da membrana, como os fosfolipídios, são anfipáticas, com domínios hidrofóbicos que interagem fortemente de forma não covalente com o interior do ácido graxo das membranas. Algumas proteínas integrais de membrana abrangem toda a membrana, com domínios hidrofílicos voltados para o citosol ou o exterior da célula. As proteínas periféricas ligam-se à superfície da membrana por meio de interações não covalentes. Exemplos de proteínas de membrana integrantes e periféricas, glicoproteínas e lipoproteínas são ilustrados abaixo.


Proteínas de Membrana

Proteínas de membrana são os proteínas de ligação que medeiam a condução de íons ou moléculas para dentro e para fora da membrana celular. Integral, periférica e ancorada em lipídios são as três proteínas de membrana típicas.

A proteína da membrana é o principal constituinte da membrana celular que contribui para a estrutura da membrana plasmática. A união das proteínas da membrana e o fosfolipídio membrana celular de bicamada pode ser temporário ou permanente.

Uma camada biológica tem mais de centenas de proteínas na orientação definida. Neste post, estudaremos a definição, montagem, tipos e funções das proteínas de membrana.

Conteúdo: Proteínas de Membrana

Definição de proteínas de membrana

Proteína de membrana refere-se à proteína constitutiva ou não constitutiva, que se une com a membrana de bicamada fosfolipídica em diferentes locais por inteiramente ou parcialmente abrangendo o plasmolema.

Lateralidade da membrana”É devido à localização diferente de várias proteínas de membrana na membrana celular biológica, o que causa assimetria da membrana celular. Algumas proteínas de membrana comunicam-se com as substâncias extracelulares, enquanto outras interagem com o material protoplasmático interno.

Montagem de proteínas de membrana

Todos nós sabemos que as proteínas se formam através da tradução do mRNA pela associação do ribossomo e transferência de RNA. o ribossomos sintetizar uma sequência de sinal verdadeiro ou não clivável Segmento TM de seu terminal N.

Então, o segmento hidrofóbico de resíduos de aminoácidos viaja através do túnel ribossomal em direção ao local de saída. Translocon refere-se ao complexo de proteínas dentro da membrana celular que fornece um túnel ribossomal para liberar e inserir proteínas recém-sintetizadas.

Os ribossomos processam a liberação de Segmentos de Tm em relação à sequência de mRNA codificada. Partículas receptoras de sinal (SRPs) se ligam ao complexo de cadeia polipeptídica de entrada, acomodando a sequência de sinal na conformação alfa-helicoidal e interrompe a tradução.

o Receptores SR interagem com os ribossomos e SRPs e causam uma mudança conformacional nos SRPs, permitindo a transferência da cadeia nascente de ribossomos. Após a síntese da proteína, o ribossomo se desprende do translocon, e as proteínas de membrana liberadas assumem sua forma final 3D conformação.


Informação prática

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Interesses de pesquisa

O interesse geral no laboratório do Dr. Jiang é elucidar as estruturas e mecanismos de proteínas de membrana importantes associadas ao transporte de membrana. As membranas dividem as células em compartimentos especializados para diferentes funções, portanto, é vital para as células transportarem substâncias através das membranas. O transporte de membrana, uma coleção de transporte de diversas moléculas, é realizado principalmente por proteínas de membrana de uma forma rigidamente regulada. Disfunções associadas ao transporte da membrana podem levar a efeitos adversos ou doenças. Estamos particularmente interessados ​​em duas questões relativas ao transporte de membrana. (1) Como as proteínas de membrana (canais ou transportadores) selecionam suas moléculas de substrato ou íons? Essa seleção de substrato geralmente é altamente específica. Alguns canais ou transportadores podem selecionar um amplo espectro de substratos, ou seja, são poli-específicos. (2) Como os substratos são entregues através dos canais ou transportadores? Os mecanismos de permeação e passagem de alguns canais iônicos têm sido amplamente estudados. No entanto, pouco se sabe sobre os mecanismos de transporte e permeação de moléculas ou íons complexos.

Usamos microscopia crioeletrônica (cryoEM) como uma ferramenta primária para estudar as estruturas das proteínas de membrana. O CryoEM tornou-se recentemente uma abordagem indispensável para a biologia estrutural devido ao seu poder de resolver estruturas de alta resolução de macromoléculas sem a necessidade de cristalização.

As proteínas da membrana alvo nas quais estamos trabalhando são pequenas, totalmente incorporadas na membrana lipídica sem um grande domínio extramembrana e / ou dinâmicas. Essas características representam muitos desafios técnicos no estudo cryoEM. A maioria das estruturas de proteínas de membrana resolvidas por crioEM até o momento têm pelo menos um domínio extramembranar relativamente grande que pode auxiliar no alinhamento de partículas para reconstrução de partícula única crioEM. Portanto, nosso outro objetivo é empurrar o limite técnico do crioEM e demonstrar a viabilidade de realizar estudos de crioEM em proteínas de membrana pequenas e desafiadoras.


Fatores acessórios

Enquanto o complexo de translocase é o principal requisito para a maioria das proteínas de membrana, os IMPs mais complexos requerem fatores acessórios para auxiliar em sua inserção e maturação. Abaixo está uma análise dos diferentes fatores acessórios para procariotos e eucariotos.

Eucariotos

Numerosas outras proteínas de membrana foram encontradas para interagir com o complexo translocon Sec em eucariotos, no entanto, sua necessidade permanece obscura. Verificou-se que enzimas como a peptidase de sinal e a oligossacaril transferase auxiliam no dobramento e maturação de certos IMPs por clivagem ou glicosilação, respectivamente (Yamagisi et al. 2011). O complexo de proteína associada a translocon (TRAP) pode ajudar a fortalecer o complexo ribossomo-translocon. A proteína de membrana de associação de cadeia de translocação (TRAM) é atualmente esperada para inserir TMDs com hidrofobicidade fraca e, portanto, só é necessária para certos IMPs. (Heinrich et al. 2000)

Procariontes

Como nos eucariotos, há vários fatores acessórios que auxiliam na inserção de MIs em procariotos. SecA é uma ATPase que demonstrou ser essencial para empurrar proteínas altamente hidrofílicas através do canal Sec (Zimmer et al. 2008). Demonstrou-se que a YidC insertase ajuda na partição lateral de IMPs fora do canal para a membrana. Espera-se que seu papel seja o de uma dobra que ajuda na formação de alfa-hélices (Beck et al. 2001). Verificou-se também que a presença do fosfolípido fosfatidiletanolamina (PE) é necessária para o dobramento de certos PIM. Como o PE é um lipídio com carga positiva, ele interage com resíduos ácidos que flanqueiam a TM e impedem que os resíduos se translocem para o lado periplasmático da membrana com carga positiva (Bogdanov et al. 2008).


Índice (25 capítulos)

Clonagem e expressão de múltiplas subunidades de complexos de proteínas da membrana mitocondrial em Saccharomyces cerevisiae

Produção de proteína de membrana em Escherichia coli

McIlwain, Benjamin C. (et al.)

Produção de proteína de membrana em Lactococcus lactis para estudos estruturais

Expressão e purificação de proteínas de membrana em Saccharomyces cerevisiae

Expressão de proteína de membrana em células de inseto usando o sistema de vetor de expressão de baculovírus

Extratos de membrana de tecidos vegetais

Solubilização de proteína de membrana e controle de qualidade: um exemplo de um transportador ativo primário

Solubilização e controle de qualidade GPCR

Purificação de Afinidade de Proteínas de Membrana

Purificação de proteínas de membrana por cromatografia de afinidade com clivagem de protease na coluna

Biotinilação de proteínas de membrana para seleções de ligantes

Produção e aplicação de nanocorpos para biologia estrutural de proteínas de membrana

Brunner, Janine Denise (et al.)

Identificação de anticorpos seletivos de conformação apenas de cadeia pesada contra proteínas de membrana por um ensaio de proximidade de cintilação com desvio térmico

Reconstituição de proteínas de membrana em plataformas adequadas para análises biofísicas e estruturais

Schmidpeter, Philipp A. M. (et al.)

Reconstituição de proteolipossomas para embaralhamento de fosfolipídios e ensaios de canais não seletivos

Membrane Protein Cryo-EM: Otimização Cryo-Grid e Coleta de Dados com Proteína em Detergente

Crio-EM de partícula única de proteínas de membrana em nanodiscos lipídicos

Purificação rápida de proteína de membrana em pequena escala e preparação de grade para microscopia eletrônica de partícula única

Estabilização e cristalização de uma proteína de membrana envolvida no transporte de lipídios

Cristalografia de Raios-X Serial In Meso In Situ (IMISX): Um Protocolo para Determinação da Estrutura de Proteína de Membrana na Fonte de Luz Suíça

Preparação de proteína de membrana para cristalografia em série usando injetores de alta viscosidade: rodopsina como exemplo

Espectrometria de massa de troca de hidrogênio / deutério para a análise estrutural de proteínas de membrana solubilizadas em detergente

Desdobramento mecânico e redobramento de proteínas de membrana única por microscopia de força atômica

Preparação de Amostras e Configuração Técnica para Espectroscopia de NMR com Proteínas de Membrana Integral

Explorando a Dinâmica de Lípides e Proteínas de Membrana Usando Nanodiscos de Bicamada Lipídica e Espectroscopia de NMR de Estado de Solução


Como as proteínas entram nas mitocôndrias?

Se a membrana interna é tão impermeável, como as proteínas entram?

A membrana externa da mitocôndria contém a proteína "porina". Isso forma um canal aquoso através do qual proteínas de até 10.000 daltons podem passar e entrar no espaço intermembranar. Na verdade, as pequenas moléculas realmente se equilibram entre a membrana externa e o citosol. No entanto, a maioria das proteínas não consegue entrar na matriz, a menos que atravesse a membrana interna. Esta membrana contém cardiolipina que a torna virtualmente impermeável. Isso requer mecanismos de transporte através da membrana que são mais organizados e regulados. Uma visão muito simples do processo é diagramada neste cartoon.

Esta figura é retirada de Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing, N.Y. 1994, Terceira Edição

O transporte através das membranas mitocondriais requer a ação conjunta de várias máquinas de translocação. A maquinaria na membrana externa é chamada de complexo de Tom (Translocator oútero membrane) e que para a membrana interna é chamado de complexo de Tim (Translocator eunner Membrane). As proteínas que têm que percorrer todo o caminho até a matriz têm um NH2 sequência de sinal clivável (veja o desenho acima).

A maioria das proteínas deve ser desenrolada ou esticada para passar pelos translocadores. Isso envolve a ligação de ATP e é monitorado e estabilizado por proteínas chaperonas, incluindo hsp70. Portanto, antes que a proteína possa passar pelo complexo de Tom, ela deve se tornar "competente para translocação".

Transporte através da membrana externa: características do complexo de Tom.

Não surpreendentemente, o complexo TOM incluirá receptores de importação que reconhecem inicialmente o peptídeo de sinal ou uma sequência de sinal (estes incluem Tom20, Tom22 e Tom70). Proteínas diferentes usam receptores diferentes. No desenho acima, o receptor é representado como um oval azul no qual o peptídeo sinal está inserido. Os receptores então trazem a proteína para a região que contém as proteínas translocadoras. Na verdade, este é um complexo de proteínas.
É chamado de Poro de Importação Geral (GIP) e facilita a translocação da pré-sequência da proteína através da membrana externa. (o GIP é feito de Tom40, Tom5, Tom 6 e Tom7). Tom40 parece ser o elemento central do poro e forma oligômeros. Ele atravessa a membrana como uma série de 14 fitas beta antiparalelas que formam um barril beta. Ele também interage com cadeias polipeptídicas que passam pelo poro. Todos os outros componentes do Tom no GIP são ancorados à membrana externa por segmentos transmembranares helicoidais (âncoras hidrofóbicas).

Estudo recente de Tom40: Rapaport, D e Neupert W, Biogenesis of Tom40, componente central do complexo TOM de mitocôndrias. J Cell Biol 146 321-332, 1999. O estudo analisou como o Tom40 entrou na membrana externa e se tornou parte do GIP. O estudo relatou que:

  • Primeiro, como acontece com muitas proteínas mitocondriais, o Tom40 requer chaperonas citosólicas para prepará-lo para a entrada. No caso desta proteína, tornar-se "competente para translocação" requer ATP e um estado parcialmente dobrado (o último é mediado pela chaperona citosólica (hsp70).
  • Em segundo lugar, quando é "competente", ele interage com o receptor de superfície, Tom20. Não há peptídeo sinal clivável, no entanto, as experiências que mostram a necessidade de dobramento parcial sugerem que a informação de direcionamento é encontrada em locais descontínuos reunidos no domínio dobrado.
  • A inserção final é em complexos de Tom preexistentes. Isso requer um terminal N intacto.
  • A dimerização ocorre após a entrada na membrana.

Características dos complexos de Tim

As proteínas mitocondriais destinadas à matriz freqüentemente têm um peptídeo sinal clivável na proteína que deve ser reconhecido antes de ser admitido pelo translocador mitocondrial. Essas proteínas com "sinais terminais amino" (seu texto), ou "pré-proteínas" ou "pré-sequências" (literatura atual) geralmente interagem com o Tom20 primeiro. Então, eles têm que passar pela membrana externa. Para isso, eles são transferidos para o complexo GIP: Primeiro, eles interagem com Tom22 e Tom5 que os conduz ao poro formado por Tom40. Eles então entram na matriz usando o complexo de poros feito de Tim23 e Tim17 que estão na membrana interna. Além disso, muito importante, sua entrada depende do potencial de membrana. Isso é estabelecido pelos complexos de transporte de elétrons. Lembre-se de que os íons de hidrogênio estão sendo bombeados para o espaço intermembrana, criando um gradiente de carga que é mais negativo no local da matriz. Esse potencial de membrana realmente ajuda a puxar a proteína para os canais Tim23-Tim17. A proteína então entra na matriz onde a preproteína clivável é cortada por uma protease, MPP. mt- hsp 70 na matriz trabalha com Tim44 para completar a transferência completa para a matriz. mthsp70 e Tim 44 realmente "puxam" a proteína para a matriz por um processo que requer ATP. Também requer o potencial de membrana estabelecido pela cadeia de transporte de elétrons.

Algumas proteínas mitocondriais destinadas à membrana interna têm uma pré-sequência clivável seguida por um ou mais segmentos hidrofóbicos que abrangem a membrana que funcionam como sequências de parada-transferência no MI ou servem para inserir o polipeptídeo no MI depois de entrar na matriz. São como as proteínas de membrana do Tipo I descritas na unidade do retículo endoplasmático rugoso.

No entanto, outras proteínas não têm um sinal de direcionamento clivável (Tipos II e III). As proteínas mitocondriais que possuem uma sequência de sinal interna (exemplos incluem várias proteínas na membrana interna) geralmente interagem com o Tom70 como o receptor. Então, depois de transitarem pela membrana externa através do complexo GIP, eles entram na via especial de Tim. Isso pode envolver interações com pequenos Tim's do espaço intermembranar e Tim22-Tim54 da própria membrana interna.

Aquelas proteínas que não têm uma sequência de sinal de direcionamento clivável geralmente têm sinais com as seguintes características: Muitas vezes, são um trecho de aminoácidos carregados positivamente (às vezes adjacentes a uma região hidrofóbica de abrangência de membrana). Às vezes, esses loops de forma que enfrentam a matriz. Lembre-se de que a "regra interna positiva" tem aminoácidos carregados positivamente concentrados no lado citosólico para proteínas sendo inseridas no retículo endoplasmático rugoso. Essas proteínas mitocondriais tendem a seguir essa regra, apenas a matriz se torna o local onde as cargas positivas são mais numerosas.

Exemplos da literatura:

Davis, AJ, Ryan, KR e Jensen, RE Tim23p contém sinais separados e distintos para direcionamento para mitocôndrias e inserção na membrana interna. Molecular Biology of the Cell 9: 2577-2593 (1999).

  • Tim23 é uma das proteínas translocadoras da membrana interna. Não tem uma pré-sequência amino-terminal. As informações de direcionamento são encontradas na proteína madura.
  • Tim23 tem 4 segmentos transmembrana e dois loops carregados positivamente voltados para a matriz. O que é necessário para sinalizar uma importação?
  • Os aminoácidos carregados positivamente em uma ou ambas as alças foram substituídos por resíduos de alanina.
  • Pelo menos um desses laços é necessário para a inserção na membrana interna.
  • O sinal para direcionamento para mitocôndrias é encontrado em pelo menos dois dos segmentos transmembranares hidrofóbicos.

Kurz, M, Martin, H, Rassow J, Pfanner, N e Ryan, MT. Biogênese de proteínas Tim da via de importação de portadores mitocondriais: mecanismos diferenciais de direcionamento e cruzamento com a via de importação principal. Molecular Biology of the Cell 10: 2461-2474 (1999). Comparou a rota e a ligação de três proteínas Tim

  • Tim54 carrega uma sequência de translocação não clivada amino terminal que é carregada positivamente. No entanto, ele prefere usar o Tom70 como seu receptor em vez do Tom20. Depois de passar pelo GIP, ele usa sua sequência amino terminal carregada positivamente para entrar na matriz. Exigia chaperones e ATP para chegar à matriz.
  • Tim22 é uma proteína hidrofóbica que usa Tom20 para direcionar ao OM. Em seguida, segue a rota de Tim para proteínas transportadoras, como Tim23. Não requer hsp70 ou ATP para entrada.
  • Os pequenos Tims são normalmente encontrados no espaço intermembranar e não são proteínas de membrana. Eles usaram Tom20 para seu receptor e transferência para o complexo GIP. Porém, quando o Tom20 foi destruído pela tripsina, deixando apenas o Tom5, os pequenos Tims conseguiram entrar.

O cartoon acima do seu texto mostra mais maneiras pelas quais as proteínas podem ser inseridas nas membranas interna e externa, uma vez que são reconhecidas pelos receptores. Conforme mostrado pelas proteínas nos exemplos da literatura acima, a mitocôndria usa tanto sinais carregados positivamente quanto sequências hidrofóbicas que abrangem a membrana para translocar e, em seguida, atingir seu destino final. Como nos exemplos acima, pode haver vários locais de sinal e inserção. No entanto, a distribuição dos aminoácidos carregados ajuda a orientar a proteína para que as cargas positivas fiquem na matriz. É assim que os citocromos da cadeia respiratória ou as partículas elementares são inseridos por ação mitocondrial.

Esta figura é retirada de Alberts et al, Molecular Biology of the Cell, Garland Publishing, N.Y. 1994, Terceira Edição

A figura a seguir é de outro texto de Lodish et al, Molecular Cell Biology. Mostra toda a sequência de eventos necessária para inserir uma proteína na matriz.

  • Etapa 1: A proteína se desdobra ao se ligar à chaperona hsp70. A área vermelha positiva indica a sequência de direcionamento. A ligação da chaperona é dependente de ATP.
  • Etapa 2: a sequência de direcionamento se liga ao receptor (geralmente Tom20)
  • Etapa 3. O receptor conduz a proteína ao local do translocador. Outras proteínas Tom envolvidas, mas Tom40 é o núcleo do canal do translocador.
  • Etapa 4: A proteína é translocada estimulada pelo potencial de membrana. Os complexos de transporte de elétrons na membrana interna bombearam H + para o espaço intermembranar, deixando a matriz mais negativa. Isso atrai a proteína (o sinal é carregado positivamente). A proteína se move através dos translocadores Tim. Tim 44 e hsp70 na matriz continuam a guiar e puxar a proteína através do poro. Um processo que requer ATP.
  • Etapa 5. outra chaperona (chamada chaperonina), hsp60, causa o enovelamento da proteína em sua sequência terciária. Também é um processo que requer ATP.
  • Etapa 6. A pré-sequência é clivada na matriz.

O que acontece se uma proteína de importação estiver com defeito?

Estudos com leveduras nos ajudaram a aprender sobre o receptor e a máquina de translocação contém um complexo de proteínas que trabalham juntas para permitir a entrada. Na levedura, eles foram chamados de MOMX. série, onde o número designa o número da proteína. Uma proteína importante no reconhecimento do peptídeo sinal e sua ligação ao receptor é chamada de "MOM19". O MOM 19 trabalha com o MOM 72 para reconhecer e ligar as proteínas. Então, o MOM22 ajuda a proteína a passar do local de ligação do receptor ao ponto de inserção na membrana externa. A importância do MOM19 pode ser provada adicionando anticorpos ao MOM19 e bloqueando a importação.

Em um artigo recente de Harkness et al (J Cell Biology 124: 637-648, 1995), eles criaram células de levedura mutantes que incluíam um gene defeituoso para MOM19.

Eles também incluíram um marcador resistente a medicamentos para que pudessem cultivar células seletivamente com o gene mutante (na presença da droga, p = fluorofenil alanina ou fpa). Portanto, quanto mais tempo as células crescem no medicamento, mais células mutantes resistentes ao medicamento serão encontradas. As micrografias eletrônicas acima são de seu artigo (citado acima). Eles mostram o resultado da ausência da proteína MOM19. O que está ausente nas células cultivadas por 16 ou 32 h na droga?

Quando eles fizeram os testes para as proteínas, quais proteínas estavam realmente faltando? Os testes mostraram que houve uma diminuição dramática na maior parte da cadeia respiratória (cadeia de transporte de elétrons), incluindo os citocromos a / a3 e b. No entanto, o citocromo C não foi afetado. Isso sugere que outra proteína deve controlar sua importação.


Conteúdo

Enquanto a descoberta de células por Robert Hooke em 1665 levou à proposta da Teoria Celular, Hooke enganou a teoria da membrana celular de que todas as células continham uma parede celular dura, uma vez que apenas células vegetais podiam ser observadas na época. [9] Os microscopistas se concentraram na parede celular por mais de 150 anos, até que avanços na microscopia foram feitos. No início do século 19, as células foram reconhecidas como entidades separadas, não conectadas e ligadas por paredes celulares individuais depois que se descobriu que as células vegetais podiam ser separadas. Esta teoria se estendeu para incluir células animais para sugerir um mecanismo universal para proteção e desenvolvimento celular. Na segunda metade do século 19, a microscopia ainda não estava avançada o suficiente para fazer uma distinção entre membranas celulares e paredes celulares. No entanto, alguns microscopistas identificaram corretamente neste momento que, embora invisível, poderia ser inferido que as membranas celulares existiam nas células animais devido ao movimento intracelular de componentes internamente, mas não externamente, e que as membranas não eram o equivalente a uma parede celular para uma célula vegetal. Também foi inferido que as membranas celulares não eram componentes vitais para todas as células. Muitos refutaram a existência de uma membrana celular ainda no final do século XIX. Em 1890, uma atualização da Teoria Celular afirmava que as membranas celulares existiam, mas eram meramente estruturas secundárias. Foi só em estudos posteriores com osmose e permeabilidade que as membranas celulares ganharam mais reconhecimento. [9] Em 1895, Ernest Overton propôs que as membranas celulares fossem feitas de lipídios. [10]

A hipótese da bicamada lipídica, proposta em 1925 por Gorter e Grendel, [11] criou especulações para a descrição da estrutura da bicamada da membrana celular a partir de estudos cristalográficos e observações de bolhas de sabão. Na tentativa de aceitar ou rejeitar a hipótese, os pesquisadores mediram a espessura da membrana. [9] Em 1925, foi determinado por Fricke que a espessura das membranas das células dos eritrócitos e leveduras variava entre 3,3 e 4 nm, uma espessura compatível com uma monocamada lipídica. A escolha da constante dielétrica usada nesses estudos foi questionada, mas testes futuros não puderam refutar os resultados do experimento inicial. Independentemente, o leptoscópio foi inventado para medir membranas muito finas, comparando a intensidade da luz refletida de uma amostra com a intensidade de um padrão de membrana de espessura conhecida. O instrumento pode resolver espessuras que dependem de medições de pH e da presença de proteínas de membrana que variam de 8,6 a 23,2 nm, com as medições mais baixas apoiando a hipótese de bicamada lipídica. Mais tarde, na década de 1930, o modelo de estrutura de membrana desenvolveu-se em geral como o modelo paucimolecular de Davson e Danielli (1935). Este modelo foi baseado em estudos de tensão superficial entre óleos e ovos de equinoderme. Uma vez que os valores de tensão superficial pareciam ser muito mais baixos do que o esperado para uma interface óleo-água, foi assumido que alguma substância era responsável por diminuir as tensões interfaciais na superfície das células. Foi sugerido que uma bicamada lipídica estava entre duas camadas finas de proteína. O modelo paucimolecular tornou-se imediatamente popular e dominou os estudos da membrana celular nos 30 anos seguintes, até ser rivalizado pelo modelo de mosaico fluido de Singer e Nicolson (1972). [12] [9]

Apesar dos numerosos modelos de membrana celular propostos antes do modelo do mosaico fluido, ela continua sendo o arquétipo primário da membrana celular muito depois de seu início na década de 1970. [9] Embora o modelo de mosaico fluido tenha sido modernizado para detalhar descobertas contemporâneas, os princípios básicos permaneceram constantes: a membrana é uma bicamada lipídica composta de cabeças externas hidrofílicas e um interior hidrofóbico onde as proteínas podem interagir com cabeças hidrofílicas por meio de interações polares, mas proteínas que abrangem a bicamada total ou parcialmente, possuem aminoácidos hidrofóbicos que interagem com o interior lipídico apolar. O modelo do mosaico de fluidos não apenas forneceu uma representação precisa da mecânica da membrana, mas também aprimorou o estudo das forças hidrofóbicas, que mais tarde se desenvolveriam em uma limitação descritiva essencial para descrever macromoléculas biológicas. [9]

Por muitos séculos, os cientistas citados discordaram do significado da estrutura que consideravam a membrana celular. Por quase dois séculos, as membranas foram vistas, mas a maioria desconsiderou isso como uma estrutura importante com função celular. Foi só no século 20 que o significado da membrana celular foi reconhecido. Finalmente, dois cientistas Gorter e Grendel (1925) descobriram que a membrana é “à base de lipídios”. A partir disso, eles promoveram a ideia de que essa estrutura teria que estar em uma formação que mimetizasse camadas. Uma vez estudada mais detalhadamente, foi encontrada comparando a soma das superfícies das células e as superfícies dos lipídios, uma razão 2: 1 foi estimada assim, fornecendo a primeira base da estrutura de bicamada conhecida hoje. Essa descoberta deu início a muitos novos estudos que surgiram globalmente em vários campos de estudos científicos, confirmando que a estrutura e as funções da membrana celular são amplamente aceitas. [9]

A estrutura tem sido referida por diversos autores como o ectoplasto (de Vries, 1885), [13] Plasmahaut (pele de plasma, Pfeffer, 1877, 1891), [14] Hautschicht (camada da pele, Pfeffer, 1886 usada com um significado diferente por Hofmeister, 1867), membrana plasmática (Pfeffer, 1900), [15] membrana plasmática, membrana citoplasmática, envelope celular e membrana celular. [16] [17] Alguns autores que não acreditaram que havia um limite permeável funcional na superfície da célula preferiram usar o termo plasmalema (cunhado por Mast, 1924) para a região externa da célula. [18] [19] [20]

As membranas celulares contêm uma variedade de moléculas biológicas, principalmente lipídios e proteínas. A composição não é definida, mas muda constantemente para fluidez e mudanças no ambiente, mesmo flutuando durante diferentes estágios de desenvolvimento celular. Especificamente, a quantidade de colesterol na membrana celular do neurônio primário humano muda, e essa mudança na composição afeta a fluidez ao longo dos estágios de desenvolvimento. [21]

O material é incorporado à membrana, ou excluído dela, por uma variedade de mecanismos:

  • A fusão das vesículas intracelulares com a membrana (exocitose) não apenas excreta o conteúdo da vesícula, mas também incorpora os componentes da membrana da vesícula na membrana celular. A membrana pode formar bolhas ao redor do material extracelular que se comprimem e se transformam em vesículas (endocitose).
  • Se uma membrana é contínua com uma estrutura tubular feita de material de membrana, então o material do tubo pode ser puxado para dentro da membrana continuamente.
  • Embora a concentração dos componentes da membrana na fase aquosa seja baixa (componentes estáveis ​​da membrana apresentam baixa solubilidade em água), há uma troca de moléculas entre as fases lipídica e aquosa.

Lipídios

A membrana celular consiste em três classes de lipídios anfipáticos: fosfolipídios, glicolipídios e esteróis. A quantidade de cada um depende do tipo de célula, mas na maioria dos casos os fosfolipídios são os mais abundantes, muitas vezes contribuindo com mais de 50% de todos os lipídios nas membranas plasmáticas. [22] [23] Os glicolipídios representam apenas uma quantidade mínima de cerca de 2% e os esteróis compõem o restante. Em estudos de hemácias, 30% da membrana plasmática é composta por lipídios. No entanto, para a maioria das células eucarióticas, a composição das membranas plasmáticas é cerca de metade dos lipídios e metade das proteínas por peso.

As cadeias graxas em fosfolipídios e glicolipídios geralmente contêm um número par de átomos de carbono, normalmente entre 16 e 20. Os ácidos graxos de 16 e 18 carbonos são os mais comuns. Os ácidos graxos podem ser saturados ou insaturados, com a configuração das ligações duplas quase sempre "cis". O comprimento e o grau de insaturação das cadeias de ácidos graxos têm um efeito profundo na fluidez da membrana, uma vez que os lipídios insaturados criam uma dobra, evitando que os ácidos graxos se agrupem com tanta força, diminuindo assim a temperatura de fusão (aumentando a fluidez) da membrana. [22] [23] A capacidade de alguns organismos de regular a fluidez de suas membranas celulares alterando a composição lipídica é chamada de adaptação homeoviscosa.

Toda a membrana é mantida unida por meio de interação não covalente de caudas hidrofóbicas; no entanto, a estrutura é bastante fluida e não está rigidamente fixada no lugar. Em condições fisiológicas, as moléculas de fosfolipídios na membrana celular estão no estado líquido-cristalino. Isso significa que as moléculas de lipídios estão livres para se difundir e exibir uma difusão lateral rápida ao longo da camada em que estão presentes. [22] No entanto, a troca de moléculas de fosfolipídios entre os folhetos intracelulares e extracelulares da bicamada é um processo muito lento. Lipid rafts e caveolae são exemplos de microdomínios enriquecidos com colesterol na membrana celular. [23] Além disso, uma fração do lipídeo em contato direto com as proteínas integrais da membrana, que está fortemente ligada à superfície da proteína, é chamada de concha lipídica anular e se comporta como uma parte do complexo proteico.

Em células animais, o colesterol é normalmente encontrado disperso em vários graus ao longo das membranas celulares, nos espaços irregulares entre as caudas hidrofóbicas dos lipídios da membrana, onde confere um efeito de enrijecimento e fortalecimento da membrana. [4] Além disso, a quantidade de colesterol nas membranas biológicas varia entre organismos, tipos de células e até mesmo em células individuais. Cholesterol, a major component of animal plasma membranes, regulates the fluidity of the overall membrane, meaning that cholesterol controls the amount of movement of the various cell membrane components based on its concentrations. [4] In high temperatures, cholesterol inhibits the movement of phospholipid fatty acid chains, causing a reduced permeability to small molecules and reduced membrane fluidity. The opposite is true for the role of cholesterol in cooler temperatures. Cholesterol production, and thus concentration, is up-regulated (increased) in response to cold temperature. At cold temperatures, cholesterol interferes with fatty acid chain interactions. Acting as antifreeze, cholesterol maintains the fluidity of the membrane. Cholesterol is more abundant in cold-weather animals than warm-weather animals. In plants, which lack cholesterol, related compounds called sterols perform the same function as cholesterol. [4]

Phospholipids forming lipid vesicles

Lipid vesicles or liposomes are approximately spherical pockets that are enclosed by a lipid bilayer. [24] These structures are used in laboratories to study the effects of chemicals in cells by delivering these chemicals directly to the cell, as well as getting more insight into cell membrane permeability. Lipid vesicles and liposomes are formed by first suspending a lipid in an aqueous solution then agitating the mixture through sonication, resulting in a vesicle. By measuring the rate of efflux from that of the inside of the vesicle to the ambient solution, allows researcher to better understand membrane permeability. Vesicles can be formed with molecules and ions inside the vesicle by forming the vesicle with the desired molecule or ion present in the solution. Proteins can also be embedded into the membrane through solubilizing the desired proteins in the presence of detergents and attaching them to the phospholipids in which the liposome is formed. These provide researchers with a tool to examine various membrane protein functions.

Carboidratos

Plasma membranes also contain carbohydrates, predominantly glycoproteins, but with some glycolipids (cerebrosides and gangliosides). Carbohydrates are important in the role of cell-cell recognition in eukaryotes they are located on the surface of the cell where they recognize host cells and share information, viruses that bind to cells using these receptors cause an infection [25] For the most part, no glycosylation occurs on membranes within the cell rather generally glycosylation occurs on the extracellular surface of the plasma membrane. The glycocalyx is an important feature in all cells, especially epithelia with microvilli. Recent data suggest the glycocalyx participates in cell adhesion, lymphocyte homing, [25] and many others. The penultimate sugar is galactose and the terminal sugar is sialic acid, as the sugar backbone is modified in the Golgi apparatus. Sialic acid carries a negative charge, providing an external barrier to charged particles.

Proteínas

Modelo Descrição Exemplos
Integral proteins
or transmembrane proteins
Span the membrane and have a hydrophilic cytosolic domain, which interacts with internal molecules, a hydrophobic membrane-spanning domain that anchors it within the cell membrane, and a hydrophilic extracellular domain that interacts with external molecules. The hydrophobic domain consists of one, multiple, or a combination of α-helices and β sheet protein motifs. Ion channels, proton pumps, G protein-coupled receptor
Lipid anchored proteins Covalently bound to single or multiple lipid molecules hydrophobically insert into the cell membrane and anchor the protein. The protein itself is not in contact with the membrane. G proteins
Peripheral proteins Attached to integral membrane proteins, or associated with peripheral regions of the lipid bilayer. These proteins tend to have only temporary interactions with biological membranes, and once reacted, the molecule dissociates to carry on its work in the cytoplasm. Some enzymes, some hormones

The cell membrane has large content of proteins, typically around 50% of membrane volume [26] These proteins are important for the cell because they are responsible for various biological activities. Approximately a third of the genes in yeast code specifically for them, and this number is even higher in multicellular organisms. [24] Membrane proteins consist of three main types: integral proteins, peripheral proteins, and lipid-anchored proteins. [4]

As shown in the adjacent table, integral proteins are amphipathic transmembrane proteins. Examples of integral proteins include ion channels, proton pumps, and g-protein coupled receptors. Ion channels allow inorganic ions such as sodium, potassium, calcium, or chlorine to diffuse down their electrochemical gradient across the lipid bilayer through hydrophilic pores across the membrane. The electrical behavior of cells (i.e. nerve cells) are controlled by ion channels. [4] Proton pumps are protein pumps that are embedded in the lipid bilayer that allow protons to travel through the membrane by transferring from one amino acid side chain to another. Processes such as electron transport and generating ATP use proton pumps. [4] A G-protein coupled receptor is a single polypeptide chain that crosses the lipid bilayer seven times responding to signal molecules (i.e. hormones and neurotransmitters). G-protein coupled receptors are used in processes such as cell to cell signaling, the regulation of the production of cAMP, and the regulation of ion channels. [4]

The cell membrane, being exposed to the outside environment, is an important site of cell–cell communication. As such, a large variety of protein receptors and identification proteins, such as antigens, are present on the surface of the membrane. Functions of membrane proteins can also include cell–cell contact, surface recognition, cytoskeleton contact, signaling, enzymatic activity, or transporting substances across the membrane.

Most membrane proteins must be inserted in some way into the membrane. [27] For this to occur, an N-terminus "signal sequence" of amino acids directs proteins to the endoplasmic reticulum, which inserts the proteins into a lipid bilayer. Once inserted, the proteins are then transported to their final destination in vesicles, where the vesicle fuses with the target membrane.

The cell membrane surrounds the cytoplasm of living cells, physically separating the intracellular components from the extracellular environment. The cell membrane also plays a role in anchoring the cytoskeleton to provide shape to the cell, and in attaching to the extracellular matrix and other cells to hold them together to form tissues. Fungi, bacteria, most archaea, and plants also have a cell wall, which provides a mechanical support to the cell and precludes the passage of larger molecules.

The cell membrane is selectively permeable and able to regulate what enters and exits the cell, thus facilitating the transport of materials needed for survival. The movement of substances across the membrane can be either "passive", occurring without the input of cellular energy, or "active", requiring the cell to expend energy in transporting it. The membrane also maintains the cell potential. The cell membrane thus works as a selective filter that allows only certain things to come inside or go outside the cell. The cell employs a number of transport mechanisms that involve biological membranes:

1. Passive osmosis and diffusion: Some substances (small molecules, ions) such as carbon dioxide (CO2) e oxigênio (O2), can move across the plasma membrane by diffusion, which is a passive transport process. Because the membrane acts as a barrier for certain molecules and ions, they can occur in different concentrations on the two sides of the membrane. Diffusion occurs when small molecules and ions move freely from high concentration to low concentration in order to equilibrate the membrane. It is considered a passive transport process because it does not require energy and is propelled by the concentration gradient created by each side of the membrane. [28] Such a concentration gradient across a semipermeable membrane sets up an osmotic flow for the water. Osmosis, in biological systems involves a solvent, moving through a semipermeable membrane similarly to passive diffusion as the solvent still moves with the concentration gradient and requires no energy. While water is the most common solvent in cell, it can also be other liquids as well as supercritical liquids and gases. [29]

2. Transmembrane protein channels and transporters: Transmembrane proteins extend through the lipid bilayer of the membranes they function on both sides of the membrane to transport molecules across it. [30] Nutrients, such as sugars or amino acids, must enter the cell, and certain products of metabolism must leave the cell. Such molecules can diffuse passively through protein channels such as aquaporins in facilitated diffusion or are pumped across the membrane by transmembrane transporters. Protein channel proteins, also called permeases, are usually quite specific, and they only recognize and transport a limited variety of chemical substances, often limited to a single substance. Another example of a transmembrane protein is a cell-surface receptor, which allow cell signaling molecules to communicate between cells. [30]

3. Endocytosis: Endocytosis is the process in which cells absorb molecules by engulfing them. The plasma membrane creates a small deformation inward, called an invagination, in which the substance to be transported is captured. This invagination is caused by proteins on the outside on the cell membrane, acting as receptors and clustering into depressions that eventually promote accumulation of more proteins and lipids on the cytosolic side of the membrane. [31] The deformation then pinches off from the membrane on the inside of the cell, creating a vesicle containing the captured substance. Endocytosis is a pathway for internalizing solid particles ("cell eating" or phagocytosis), small molecules and ions ("cell drinking" or pinocytosis), and macromolecules. Endocytosis requires energy and is thus a form of active transport.

4. Exocytosis: Just as material can be brought into the cell by invagination and formation of a vesicle, the membrane of a vesicle can be fused with the plasma membrane, extruding its contents to the surrounding medium. This is the process of exocytosis. Exocytosis occurs in various cells to remove undigested residues of substances brought in by endocytosis, to secrete substances such as hormones and enzymes, and to transport a substance completely across a cellular barrier. In the process of exocytosis, the undigested waste-containing food vacuole or the secretory vesicle budded from Golgi apparatus, is first moved by cytoskeleton from the interior of the cell to the surface. The vesicle membrane comes in contact with the plasma membrane. The lipid molecules of the two bilayers rearrange themselves and the two membranes are, thus, fused. A passage is formed in the fused membrane and the vesicles discharges its contents outside the cell.

Prokaryotes are divided into two different groups, Archaea and Bacteria, with bacteria dividing further into gram-positive and gram-negative. Gram-negative bacteria have both a plasma membrane and an outer membrane separated by periplasm, however, other prokaryotes have only a plasma membrane. These two membranes differ in many aspects. The outer membrane of the gram-negative bacteria differ from other prokaryotes due to phospholipids forming the exterior of the bilayer, and lipoproteins and phospholipids forming the interior. [32] The outer membrane typically has a porous quality due to its presence of membrane proteins, such as gram-negative porins, which are pore-forming proteins. The inner, plasma membrane is also generally symmetric whereas the outer membrane is asymmetric because of proteins such as the aforementioned. Also, for the prokaryotic membranes, there are multiple things that can affect the fluidity. One of the major factors that can affect the fluidity is fatty acid composition. For example, when the bacteria Staphylococcus aureus was grown in 37 ◦ C for 24h, the membrane exhibited a more fluid state instead of a gel-like state. This supports the concept that in higher temperatures, the membrane is more fluid than in colder temperatures. When the membrane is becoming more fluid and needs to become more stabilized, it will make longer fatty acid chains or saturated fatty acid chains in order to help stabilize the membrane. [33] Bacteria are also surrounded by a cell wall composed of peptidoglycan (amino acids and sugars). Some eukaryotic cells also have cell walls, but none that are made of peptidoglycan. The outer membrane of gram negative bacteria is rich in lipopolysaccharides, which are combined poly- or oligosaccharide and carbohydrate lipid regions that stimulate the cell's natural immunity. [34] The outer membrane can bleb out into periplasmic protrusions under stress conditions or upon virulence requirements while encountering a host target cell, and thus such blebs may work as virulence organelles. [35] Bacterial cells provide numerous examples of the diverse ways in which prokaryotic cell membranes are adapted with structures that suit the organism's niche. For example, proteins on the surface of certain bacterial cells aid in their gliding motion. [36] Many gram-negative bacteria have cell membranes which contain ATP-driven protein exporting systems. [36]

Fluid mosaic model

According to the fluid mosaic model of S. J. Singer and G. L. Nicolson (1972), which replaced the earlier model of Davson and Danielli, biological membranes can be considered as a two-dimensional liquid in which lipid and protein molecules diffuse more or less easily. [37] Although the lipid bilayers that form the basis of the membranes do indeed form two-dimensional liquids by themselves, the plasma membrane also contains a large quantity of proteins, which provide more structure. Examples of such structures are protein-protein complexes, pickets and fences formed by the actin-based cytoskeleton, and potentially lipid rafts.

Lipid bilayer

Lipid bilayers form through the process of self-assembly. The cell membrane consists primarily of a thin layer of amphipathic phospholipids that spontaneously arrange so that the hydrophobic "tail" regions are isolated from the surrounding water while the hydrophilic "head" regions interact with the intracellular (cytosolic) and extracellular faces of the resulting bilayer. This forms a continuous, spherical lipid bilayer. Hydrophobic interactions (also known as the hydrophobic effect) are the major driving forces in the formation of lipid bilayers. An increase in interactions between hydrophobic molecules (causing clustering of hydrophobic regions) allows water molecules to bond more freely with each other, increasing the entropy of the system. This complex interaction can include noncovalent interactions such as van der Waals, electrostatic and hydrogen bonds.

Lipid bilayers are generally impermeable to ions and polar molecules. The arrangement of hydrophilic heads and hydrophobic tails of the lipid bilayer prevent polar solutes (ex. amino acids, nucleic acids, carbohydrates, proteins, and ions) from diffusing across the membrane, but generally allows for the passive diffusion of hydrophobic molecules. This affords the cell the ability to control the movement of these substances via transmembrane protein complexes such as pores, channels and gates. Flippases and scramblases concentrate phosphatidyl serine, which carries a negative charge, on the inner membrane. Along with NANA, this creates an extra barrier to charged moieties moving through the membrane.

Membranes serve diverse functions in eukaryotic and prokaryotic cells. One important role is to regulate the movement of materials into and out of cells. The phospholipid bilayer structure (fluid mosaic model) with specific membrane proteins accounts for the selective permeability of the membrane and passive and active transport mechanisms. In addition, membranes in prokaryotes and in the mitochondria and chloroplasts of eukaryotes facilitate the synthesis of ATP through chemiosmosis. [38]

Membrane polarity

The apical membrane of a polarized cell is the surface of the plasma membrane that faces inward to the lumen. This is particularly evident in epithelial and endothelial cells, but also describes other polarized cells, such as neurons. The basolateral membrane of a polarized cell is the surface of the plasma membrane that forms its basal and lateral surfaces. It faces outwards, towards the interstitium, and away from the lumen. Basolateral membrane is a compound phrase referring to the terms "basal (base) membrane" and "lateral (side) membrane", which, especially in epithelial cells, are identical in composition and activity. Proteins (such as ion channels and pumps) are free to move from the basal to the lateral surface of the cell or vice versa in accordance with the fluid mosaic model. Tight junctions join epithelial cells near their apical surface to prevent the migration of proteins from the basolateral membrane to the apical membrane. The basal and lateral surfaces thus remain roughly equivalent [ esclarecimento necessário ] to one another, yet distinct from the apical surface.

Membrane structures

Cell membrane can form different types of "supramembrane" structures such as caveola, postsynaptic density, podosome, invadopodium, focal adhesion, and different types of cell junctions. These structures are usually responsible for cell adhesion, communication, endocytosis and exocytosis. They can be visualized by electron microscopy or fluorescence microscopy. They are composed of specific proteins, such as integrins and cadherins.

Cytoskeleton

The cytoskeleton is found underlying the cell membrane in the cytoplasm and provides a scaffolding for membrane proteins to anchor to, as well as forming organelles that extend from the cell. Indeed, cytoskeletal elements interact extensively and intimately with the cell membrane. [39] Anchoring proteins restricts them to a particular cell surface — for example, the apical surface of epithelial cells that line the vertebrate gut — and limits how far they may diffuse within the bilayer. The cytoskeleton is able to form appendage-like organelles, such as cilia, which are microtubule-based extensions covered by the cell membrane, and filopodia, which are actin-based extensions. These extensions are ensheathed in membrane and project from the surface of the cell in order to sense the external environment and/or make contact with the substrate or other cells. The apical surfaces of epithelial cells are dense with actin-based finger-like projections known as microvilli, which increase cell surface area and thereby increase the absorption rate of nutrients. Localized decoupling of the cytoskeleton and cell membrane results in formation of a bleb.

Intracellular membranes

The content of the cell, inside the cell membrane, is composed of numerous membrane-bound organelles, which contribute to the overall function of the cell. The origin, structure, and function of each organelle leads to a large variation in the cell composition due to the individual uniqueness associated with each organelle.

  • Mitochondria and chloroplasts are considered to have evolved from bacteria, known as the endosymbiotic theory. This theory arose from the idea that Paracoccus e Rhodopseaudomonas, types of bacteria, share similar functions to mitochondria and blue-green algae, or cyanobacteria, share similar functions to chloroplasts. The endosymbiotic theory proposes that through the course of evolution, a eukaryotic cell engulfed these 2 types of bacteria, leading to the formation of mitochondria and chloroplasts inside eukaryotic cells. This engulfment lead to the 2 membranes systems of these organelles in which the outer membrane originated from the host's plasma membrane and the inner membrane was the endosymbiont's plasma membrane. Considering that mitochondria and chloroplasts both contain their own DNA is further support that both of these organelles evolved from engulfed bacteria that thrived inside a eukaryotic cell. [40]
  • In eukaryotic cells, the nuclear membrane separates the contents of the nucleus from the cytoplasm of the cell. [41] The nuclear membrane is formed by an inner and outer membrane, providing the strict regulation of materials in to and out of the nucleus. Materials move between the cytosol and the nucleus through nuclear pores in the nuclear membrane. If a cell's nucleus is more active in transcription, its membrane will have more pores. The protein composition of the nucleus can vary greatly from the cytosol as many proteins are unable to cross through pores via diffusion. Within the nuclear membrane, the inner and outer membranes vary in protein composition, and only the outer membrane is continuous with the endoplasmic reticulum (ER) membrane. Like the ER, the outer membrane also possesses ribosomes responsible for producing and transporting proteins into the space between the two membranes. The nuclear membrane disassembles during the early stages of mitosis and reassembles in later stages of mitosis. [42]
  • The ER, which is part of the endomembrane system, which makes up a very large portion of the cell's total membrane content. The ER is an enclosed network of tubules and sacs, and its main functions include protein synthesis, and lipid metabolism. There are 2 types of ER, smooth and rough. The rough ER has ribosomes attached to it used for protein synthesis, while the smooth ER is used more for the processing of toxins and calcium regulation in the cell. [43]
  • The Golgi apparatus has two interconnected round Golgi cisternae. Compartments of the apparatus forms multiple tubular-reticular networks responsible for organization, stack connection and cargo transport that display a continuous grape-like stringed vesicles ranging from 50-60 nm. The apparatus consists of three main compartments, a flat disc-shaped cisterna with tubular-reticular networks and vesicles. [44]

Variations

The cell membrane has different lipid and protein compositions in distinct types of cells and may have therefore specific names for certain cell types.

    in muscle cells: Sarcolemma is the name given to the cell membrane of muscle cells. [45] Although the sarcolemma is similar to other cell membranes, it has other functions that set it apart. For instance, the sarcolemma transmits synaptic signals, helps generate action potentials, and is very involved in muscle contraction. [46] Unlike other cell membranes, the sarcolemma makes up small channels called T-tubules that pass through the entirety of muscle cells. It has also been found that the average sarcolemma is 10 nm thick as opposed to the 4 nm thickness of a general cell membrane. [47][45]
  • Oolemma is the cell membrane in oocytes: The oolemma of oocytes, (immature egg cells) are not consistent with a lipid bilayer as they lack a bilayer and do not consist of lipids. [48] Rather, the structure has an inner layer, the fertilization envelope, and the exterior is made up of the vitelline layer, which is made up of glycoproteins however, channels and proteins are still present for their functions in the membrane. : The specialized plasma membrane on the axons of nerve cells that is responsible for the generation of the action potential. It consists of a granular, densely packed lipid bilayer that works closely with the cytoskeleton components spectrin and actin. These cytoskeleton components are able to bind to and interact with transmembrane proteins in the axolemma. [49][50]

The permeability of a membrane is the rate of passive diffusion of molecules through the membrane. These molecules are known as permeant molecules. Permeability depends mainly on the electric charge and polarity of the molecule and to a lesser extent the molar mass of the molecule. Due to the cell membrane's hydrophobic nature, small electrically neutral molecules pass through the membrane more easily than charged, large ones. The inability of charged molecules to pass through the cell membrane results in pH partition of substances throughout the fluid compartments of the body.


A Tale of Two Types

You will learn about two types of membrane proteins: peripheral proteins and integral proteínas. Peripheral proteins have weaker and temporary connections to the membrane. Some just sit on the surface, anchored with a few ionic bonds while others might have small sections that dip into the hydrophobic section of the bilayer. When you look at the entire membrane, there are more peripheral proteins when compared to the number of integral proteins.

As you can guess from the name, integral proteins are permanently connected to the cell membrane. They are hard workers and have large sections embedded in the hydrophobic (middle) layer of the membrane.

Transmembrane proteins are integral proteins that cross the membrane and can act as pathways for ions and molecules. Polytopic transmembrane proteins cross the membrane several times. Some are receptor proteins while others form channels. Ion movement that does not require work is called passive transport while active transport systems use work to move molecules. Active transport is regularly used when membrane proteins pump ions against the concentration gradient.


16.3: Membrane Proteins - Biology

The phospholipid bilayer, the basic structure of all cellular membranes, consists of two leaflets of phospholipid molecules whose fatty acyl tails form the hydrophobic interior of the bilayer their polar, hydrophilic head groups line both surfaces. Most integral proteins span the bilayer as shown a few are tethered to one leaflet by a covalently attached lipid anchor group. Peripheral proteins are primarily associated with the membrane by specific protein-protein interactions. Oligosaccharides bind mainly to membrane proteins however, some bind to lipids, forming glycolipids. Some proteins are bound only to the membrane surface, whereas others have one region buried within the membrane and domains on one or both sides of it.

Protein domains on the extracellular membrane surface are generally involved in cell-cell signaling or interactions. Domains within the membrane, particularly those that form channels and pores, move molecules across the membrane. Domains lying along the cytosolic face of the membrane have a wide range of functions, from anchoring cytoskeletal proteins to the membrane to triggering intracellular signaling pathways. In many cases, the function of a membrane protein and the topology of its polypeptide chain in the membrane can be predicted based on its homology with another, well-characterized protein. In this section, we examine the characteristic structural features of membrane proteins and some of their basic functions.

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Proteins and lipids follow prescribed trafficking pathways in the cell. Nascent proteins shuttle from the endoplasmic reticulum (ER) to the Golgi and onwards to their ultimate cellular destinations, whereas plasma-membrane proteins are internalized and then degraded or recycled back to the membrane. Clathrin-mediated endocytosis is a major mechanism by which cell-surface proteins are internalized, and many fundamental advances in understanding this key trafficking pathway were made in yeast. Sandra Lemmon and colleagues review the process of clathrin-mediated endocytosis in yeast, and discuss similarities and differences between this process in yeast and mammalian cells.

Many transport carriers are enrobed by coat proteins, which have been ascribed diverse roles from membrane bending or stabilization of deformed membranes to cargo and adaptor recruitment. In the yeast secretory pathway, transport between the ER and Golgi is mediated by COPII-coated vesicles, and conserved COPII machinery also supports trafficking from the ER in mammalian systems. Randy Schekman and colleagues discuss recent advances in COPII-mediated transport in mammals, including the process of COPII carrier formation and the regulation and function of ER exit sites, where these carriers are generated.

The actin cytoskeleton regulates membrane dynamics to deform the membrane, promoting invagination, tubulation and scission of transport carriers in the secretory and endocytic pathways. Cytoskeletal tracks then support subsequent motor-based transport of these carriers. Mihaela Anitei and Bernard Hoflack discuss how the cytoskeleton and trafficking machinery coordinately regulate transport carrier biogenesis and transport.

Peter Cullen and Hendrik Korswagen outline the many roles of sorting nexins in the endocytic network. Sorting nexins are key components of the retromer complex that rescues internalized proteins from lysosomal degradation by diverting them to the retrograde endosome-to-Golgi trafficking pathway. As part of the retromer complex, the multifaceted sorting nexin proteins have been suggested to bend membranes and recruit cargo, supporting their key role in several developmental processes.

The ESCRT machinery regulates the biogenesis of multivesicular bodies, intermediate compartments in the endocytic pathway that facilitate sorting of proteins destined for degradation by lysosomal proteolysis. Emerging evidence also points to an important role for the ESCRT complexes in development. Harald Stenmark and colleagues review recent data that indicate the importance of ESCRTs in regulating polarity, autophagy and other cellular processes.


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