transporte através da membrana

Prévia do material em texto

Transporte através da membrana 
Ludmila Almeida
O interior hidrofóbico da bicamada lipídica cria uma barreira à passagem da maioria das moléculas hidrofílicas, incluindo todos os
íons. Mas as células e as organelas
também precisam permitir a passagem de muitas moléculas hidrofílicas solúveis em água.
Muitas dessas moléculas de interesse para as células são polares e solúveis em água. Esses solutos – substâncias que, neste caso, estão dissolvidas na
água – são incapazes de atravessar a bicamada lipídica sem o auxílio de proteínas transportadoras de membrana.
Moléculas apolares pequenas, como oxigênio molecular e dióxido de carbono, se dissolvem rapidamente nas bicamadas lipídicas e por isso se difundem com rapidez através delas;
Moléculas polares não carregadas também se difundem prontamente através da bicamada
se elas forem pequenas o suficiente. A água e o etanol, por exemplo, atravessam a uma velocidade mensurável, enquanto o glicerol atravessa menos rapidamente.
Moléculas polares sem cargas maiores, como a glicose, dificilmente atravessam a bicamada.
Bicamadas lipídicas são altamente impermeáveis a todas as moléculas carregadas, incluindo todos os íons inorgânicos, não importando quão pequenos sejam. Essas cargas das moléculas e sua forte atração
elétrica às moléculas de água inibem a sua entrada na fase hidrocarbonada interna da bicamada.
Em razão de as membranas celulares serem impermeáveis aos íons inorgânicos, as células vivas são capazes de manter concentrações internas de íons que são muito diferentes das concentrações iônicas nos meios que as cercam. O movimento desses íons através das membranas celulares desempenha uma parte essencial em muitos processos biológicos como a produção de ATP por todas as células e na comunicação pelas células nervosas.
O Na+ é o íon positivamente carregado (cátion) mais abundante fora da célula, enquanto o K+ é o mais abundante dentro.
A alta concentração de Na+ fora da célula é eletricamente balanceada, sobretudo pelo Cl–extracelular, ao passo que a alta concentração de K+ dentro dela é balanceada por uma variedade de íons orgânicos e inorgânicos de carga negativa.
A maioria das proteínas de transporte de membrana possui cadeias polipeptídicas que atravessam a bicamada lipídica múltiplas vezes – ou seja, elas são proteínas transmembrânicas de passagem múltipla.
A cadeia polipeptídica forma um caminho contínuo de proteínas alinhadas que permite que pequenas moléculas hidrofílicas selecionadas atravessem a membrana sem entrar em contato direto com o interior hidrofóbico da bicamada lipídica.
Há duas classes principais de proteínas de transporte de membrana: os transportadores e os canais.
Os canais discriminam sobretudo com base no tamanho e na carga elétrica, quando um canal está aberto, qualquer íon ou molécula que seja suficientemente pequeno e carregue
a carga apropriada pode atravessar.
Um transportador, por sua vez, transfere apenas aquelas moléculas ou íons que servem nos seus sítios de ligação específicos na proteína. Se ligam aos seus solutos com grande especificidade, da mesma maneira que as enzimas se ligam aos seus substratos, e é esta necessidade de ligação específica que confere aos transportadores a sua seletividade.
Em muitos casos, a direção do transporte depende apenas das concentrações relativas do soluto em ambos os lados da membrana. As moléculas fluirão espontaneamente “com a correnteza”de uma região de alta concentração para uma de baixa concentração, desde que haja um caminho. Tais movimentos são denominados passivos, porque não precisam de uma força motora adicional.
O movimento de um soluto contra o seu gradiente de concentração dessa forma é denominado transporte ativo, e é realizado por tipos especiais de transportadores chamados de bombas, que fornecem a fonte de energia para promover o processo de transporte. Tal energia pode vir da hidrólise de ATP, de um gradiente iônico transmembrânico ou da luz solar.
Tanto o gradiente de concentração quanto o potencial de membrana influenciam o transporte passivo de solutos carregados
Para as moléculas carregadas eletricamente, sejam íons inorgânicos ou moléculas orgânicas pequenas, forças adicionais entram em ação. O potencial de membrana exerce uma força sobre qualquer molécula que carrega uma carga elétrica. O lado citosólico da membrana plasmática costuma estar com um potencial negativo em relação ao lado extracelular, de modo que o potencial de membrana tende a puxar solutos carregados positivamente para dentro da célula e mover os negativamente carregados para fora.
A força líquida direcionando um soluto carregado através da membrana celular é, dessa forma, um composto de duas forças, uma devida ao gradiente de concentração e a outra devida ao potencial de membrana, chamada de gradiente eletroquímico do soluto, determina a direção que cada soluto seguirá pela membrana por transporte passivo. Para alguns íons, a voltagem e o gradiente de concentração funcionam na mesma direção, criando um gradiente eletroquímico relativamente grande.
Esse é o caso do Na+, que é positivamente carregado e em maior concentração no lado de fora das células do que dentro . Portanto, se tiver oportunidade, o Na+ tende a entrar nas células.
Se, no entanto, a voltagem e o gradiente de concentração tiverem efeitos opostos, o gradiente eletroquímico resultante pode
ser pequeno.
Esse é o caso do K+, que está presente em uma concentração muito maior dentro das células do que fora. Devido ao seu pequeno gradiente eletroquímico pela membrana plasmática em repouso, há pouco movimento de K+ através da membrana, mesmo quando os canais de K+ estão abertos.
A agua se move passivamente atraves
da membrana celular a favor do seu
gradiente de concentracao – um processo denominado osmose
Como as moléculas de água são pequenas e não carregadas, elas podem se difundir diretamente pela bicamada lipídica –embora de modo lento. Algumas células também possuem proteínas canais especializadas, chamadas de aquaporinas, na sua membrana plasmática, o que facilita muito o fluxo.
A concentração total de partículas de soluto dentro da célula – também referida como sua osmolaridade – costuma exceder a concentração de soluto fora da célula. O gradiente osmótico resultante tende a “puxar” água para dentro da célula. Esse movimento de água a favor do seu gradiente de concentração – de uma
área de baixa concentração de soluto (alta concentração de água) para uma área de
alta concentração de soluto (baixa concentração de água) – é chamado de osmose.
A osmose, se ocorrer sem limitação, pode fazer a célula inchar. A maioria das células animais possui um citoplasma semelhante a um gel que resiste ao intumescimento osmótico.
Os transportadores e suas funções
Para guiar e impulsionar o complexo
tráfego de solutos para dentro e para fora da célula e entre o citosol e as diferentes
organelas envoltas por membrana, cada membrana celular contém um conjunto
característico de diferentes transportadores apropriados àquela membrana específica.
Os transportadores passivos movem um soluto a favor do seu gradiente eletroquímico. Um importante exemplo de um transportador que realiza transporte passivo é o transportador de glicose na membrana plasmática de muitos tipos celulares de mamíferos. 
Pelo fato de a glicose não ser carregada, o componente elétrico do seu gradiente eletroquímico é zero. 
O fluxo líquido de glicose pode, assim, seguir qualquer caminho, de acordo com a direção do gradiente de concentração de glicose através da membrana plasmática: para dentro, se a glicose está mais
concentrada fora da célula do que dentro, e para fora, se o oposto for verdadeiro.
Embora os transportadores passivos desse tipo não desempenhem papel algum na determinação da direção do transporte, eles são altamente seletivos. Por exemplo, os sítios de ligação do transportador de glicose ligam-se somente à D-glicose, e não à sua imagem especular, a L-glicose, que a célula não podeutilizar para a glicólise.
As bombas transportam ativamenteum soluto contra o seu gradiente eletroquímico.
Um transporte ativo de solutos contra seu gradiente eletroquímico é essencial para manter a composição iônica intracelular apropriada das células e para importar solutos que estão em uma concentração mais baixa do lado de fora da célula do que do lado de dentro. Para tais propósitos, as células dependem de bombas transmembrânicas.
1. Bombas dependentes de ATP hidrolisam o ATP para conduzir o transporte contra a corrente. 
2. Bombas acopladas ligam o transporte contra a corrente de um soluto através da membrana ao transporte a favor da corrente de outro soluto.
3. Bombas dependentes de luz, que são encontradas principalmente em células bacterianas, usam energia derivada da luz solar para conduzir o transporte contra a corrente.
A bomba de Na+ nas células animais utiliza energia fornecida por ATP para expelir Na+ e trazer K+
A bomba de Na+ dependente de ATP desempenha um papel tão central na economia de energia pelas células animais que ela costuma ser responsável por 30% ou mais do seu consumo total de ATP. 
Essa bomba utiliza a energia derivada da hidrólise do ATP para transportar Na+ para fora da célula ao mesmo tempo em que carrega K+ para dentro. 
A bomba é, portanto, também conhecida como bomba Na+/K+ ATPase ou bomba Na+/K+. A energia da hidrólise do ATP induz uma série de mudanças conformacionais da proteína que direcionam a troca de íons Na+/K+.
O transporte dos íons (Na+ para fora, K+ para dentro) envolve um ciclo de
reação, no qual cada etapa depende da anterior. Se qualquer uma das etapas
individuais for impedida de ocorrer, o ciclo inteiro cessa.
A bomba de Na+ gera um gradiente de concentração acentuado de Na+ através da membrana plasmática.
O acentuado gradiente de concentração de Na+ através da membrana plasmática age em conjunto com o potencial de membrana para criar um grande
gradiente eletroquímico de Na+, que tende a atrair o Na+ de volta para a célula .
As bombas acopladas aproveitam os gradientes dos solutos para mediar o transporte ativo. Um gradiente de qualquer soluto através de uma membrana, como o gradiente eletroquímico de Na+ gerado pela bomba de Na+, pode ser usado para mover o transporte ativo de uma segunda molécula.
 Os transportadores ativos que trabalham dessa maneira são chamados de bombas acopladas.
1. Se a bomba desloca os dois solutos na mesma direção através da membrana, ela é denominada simporte.
2. Se ela os desloca em direções opostas, é denominada antiporte.
3. Um transportador que transporta somente um tipo de soluto através da membrana é denominado uniporte.
Os simportes que se valem do influxo de Na+ de acordo com seu acentuado gradiente eletroquímico possuem papel especialmente importante em promover o aporte de outros solutos para dentro das células animais. 
As células epiteliais que revestem o intestino, por exemplo, bombeiam glicose do lúmen intestinal através do epitélio intestinal e, por fim, para dentro do sangue. Se as células epiteliais intestinais possuíssem apenas esse simporte, elas nunca poderiam liberar glicose para o uso das outras células do corpo.
Assim, essas células possuem dois tipos de transportadores de glicose localizados em extremidades opostas da célula.
 No domínio apical da membrana plasmática, que está voltado para o lúmen intestinal, elas possuem os simportes Na+/ glicose. 
Nos domínios basal e lateral da membrana plasmática, as células possuem os uniportes passivos de glicose, que liberam a glicose a favor de seu gradiente de concentração para o uso por outros tecidos.
Os canais iônicos são seletivos para íons 
Exibem seletividade iônica, permitindo que alguns íons inorgânicos passem, mas outros, não. A seletividade iônica depende do diâmetro e da forma do canal iônico e da distribuição dos aminoácidos carregados que o revestem.
O transporte iônico não teria valor para a célula se os muitos milhares de canais estivessem abertos
o tempo todo e se não houvesse meio de controlar o fluxo de íons através deles. Em vez disso, os canais iônicos se abrem brevemente e então se fecham de novo.
Diferente de um transportador, um canal iônico aberto não precisa sofrer mudanças conformacionais com cada íon que ele passa, e dessa maneira ele tem uma grande vantagem sobre um transportador em relação à sua velocidade máxima de transporte.
O potencial de membrana é determinado pela permeabilidade da membrana a íons específicos.
As alterações no potencial de membrana são a base da sinalização elétrica em muitos tipos de células, sejam elas células nervosas ou musculares nos animais, ou células sensíveis ao toque de uma planta carnívora. Tais mudanças elétricas são mediadas por alterações na permeabilidade das membranas aos íons.
O potencial de membrana a qualquer momento depende tanto do estado dos canais iônicos da membrana como das concentrações dos íons em cada lado da membrana plasmática. Grandes mudanças nas concentrações iônicas não podem ocorrer depressa o bastante para promover as rápidas mudanças no potencial de membrana. O potencial de membrana no estado estacionário – em que o fluxo de íons positivos e negativos através da membrana está precisamente equilibrado, de modo que nenhuma diferença de carga adicional se acumula através da membrana – é chamado de potencial de repouso da membrana.
O potencial de repouso da membrana – que varia de
–20 a –200 mV – é sobretudo um reflexo do gradiente eletroquímico de K+ através da membrana plasmática, porque, em repouso, a membrana plasmática é principalmente permeável ao K+, que é o principal íon positivo dentro da célula.
Os canais iônicos alternam entre os estados aberto e fechado de modo repentino e aleatório
Técnica de registro patch-clamp: técnica de registro elétrico para detectar e medir a corrente elétrica que
flui através de uma única molécula do canal. Torna possível o registro da atividade dos canais iônicos em todos os tipos celulares.
A atividade de cada canal iônico é do tipo “tudo ou nada”: quando um canal iônico está aberto, ele está completamente aberto; quando está fechado, ele está
completamente fechado. Se as condições alteradas tendem a abrir o canal, por exemplo, o canal agora
passará uma proporção muito maior de seu tempo na conformação aberta, embora ele não permaneça aberto continuamente.
Diferentes tipos de estímulos influenciam a abertura e o fechamento dos canais iônicos
Os canais iônicos diferem uns dos outros primariamente em relação à sua seletividade iônica
e ao seu controle. Para um canal controlado por voltagem, a probabilidade de ser aberto é controlada pelo potencial de membrana. Para um canal 
controlado por ligante, a probabilidade de ser aberto é controlada pela ligação de alguma molécula ao canal, para um canal controlado mecanicamente, a abertura é controlada por uma força mecânica aplicada ao canal.
As células ciliadas auditivas na orelha são um exemplo importante de células que dependem de canais controlados mecanicamente.
Os canais iônicos controlados por voltagem desempenham um papel central na
propagação de sinais elétricos ao longo de todos os processos das células nervosas, entretanto, esses canais estão presentes em muitos outros tipos celulares também, incluindo células musculares,
óvulos, protozoários e até mesmo células vegetais, onde permitem que os sinais elétricos viajem de uma parte da planta para outra. Possuem domínios denominados sensores de voltagem que são extremamente sensíveis a mudanças no potencial de membrana.
Quando um tipo de canal iônico controlado por voltagem se abre, o potencial de membrana da célula pode mudar. Isso, por sua vez, pode ativar ou inativar outros canais iônicos controlados por voltagem.
Os canais iônicos e a sinalização celular nervosa
Os neurônios carregam sinais dos órgãos sensoriais para dentro do sistema nervoso central. Cada neurônio consiste em um corpo celular, que contém o núcleo e possui uma quantidade de extensões finas e longas que se irradiam para fora deste. E geral, um neurônio possui uma extensão longa denominada axônio,que conduz sinais elétricos para fora do corpo celular em direção a células-alvo distantes; ele também costuma ter diversas extensões ramificadas mais curtas chamadas de dendritos, que se irradiam do corpo celular como antenas e fornecem uma área de superfície aumentada para receber os sinais dos axônios de outros neurônios.
Independentemente do significado do sinal que um neurônio carrega a forma do sinal sempre é a mesma: ela consiste em mudanças no potencial elétrico através da membrana plasmática do neurônio.
A mudança local no potencial de membrana gerada por um sinal pode se espalhar passivamente ao longo de um axônio ou um dendrito para regiões adjacentes
da membrana plasmática. Tal sinal passivamente distribuído, entretanto, rapidamente enfraquece com o aumento da distância da sua fonte. Em distâncias
curtas, esse enfraquecimento não é importante. No entanto, na comunicação a longa distância, tal propagação passiva é inadequada.
Os neurônios resolveram esse problema de comunicação à longa distância empregando um mecanismo de sinalização ativa. Um estímulo elétrico local com força suficiente desencadeia uma explosão de atividade elétrica na membrana plasmática que se propaga rapidamente ao longo da membrana de um axônio, renovando-se continuamente ao longo da via. Conhecida como potencial de ação.
Quando um neurônio é estimulado, o potencial de membrana da membrana plasmática alterna para um valor menos negativo. Se essa despolarização for grande o suficiente, ela fará com que canais de Na+ controlados por voltagem se abram na membrana transitoriamente nesse local. O influxo de carga positiva despolariza mais a membrana abrindo, dessa maneira, canais de Na+ controlados por voltagem adicionais e causando ainda mais despolarização. Se os canais continuassem a responder ao potencial
de membrana alterado, a célula ficaria trancada com a maioria dos canais de Na+ controlados por voltagem abertos. A célula é salva desse destino porque os canais de Na+ possuem um mecanismo
de inativação automático. Os canais de Na+ permanecem nesse estado inativado até que o potencial de membrana retorne ao seu valor negativo inicial. 
Os canais de Ca2+ controlados por voltagem nas terminações nervosas transformam um sinal elétrico em um sinal químico.
O sinal elétrico é transmitido às células-alvo em junções especializadas conhecidas como sinapses. As membranas plasmáticas das células que transmitem e recebem a mensagem são separadas uma da outra por uma estreita fenda sináptica a qual o sinal elétrico não pode atravessar. Para transmitir a mensagem por esse espaço, o sinal elétrico é transformado em um sinal químico, na forma de uma pequena molécula sinalizadora secretada, conhecida como neurotransmissor.
A despolarização da membrana plasmática do terminal nervoso, causada pela chegada do potencial de ação, abre transitoriamente os canais de Ca2+ controlados por voltagem, que estão concentrados
na membrana plasmática do terminal nervoso pré-sináptico. Como a concentração de Ca2+ no exterior do terminal é mais de 1.000 vezes maior do que a concentração de Ca2+ livre no seu citosol, o Ca2+ penetra rapidamente no terminal nervoso pelos canais abertos. O aumento resultante na concentração de Ca2+ no citosol do terminal imediatamente desencadeia a fusão de membrana que libera o neurotransmissor.
Os canais iônicos controlados por transmissor na membrana pós-sináptica transformam o sinal químico de volta em um sinal elétrico.
A ligação do neurotransmissor aos seus receptores
produz uma mudança no potencial de membrana da célula-alvo, que – se grande o suficiente – leva a célula a disparar um potencial de ação. O neurotransmissor é, então, rapidamente removido da fenda sináptica.
Os neurotransmissores podem ser excitatórios ou inibitórios.
Os principais receptores para os neurotransmissores
excitatórios, como a acetilcolina e o glutamato, são canais de cátions controlados por ligante. Quando um neurotransmissor se liga, esses canais se abrem para permitir um influxo de Na+, que despolariza a membrana plasmática e, assim, tende a ativar a célula pós-sináptica.
Já os principais receptores para os neurotransmissores inibitórios, como o ácido y-aminobutírico (GABA) e a glicina, são canais de Cl– controlados por ligante. Quando os neurotransmissores se ligam, esses canais se abrem, aumentando a permeabilidade da membrana ao Cl–; essa mudança na permeabilidade inibe a célula pós-sináptica por dificultar a despolarização da membrana plasmática.
Ex: O curare, causa paralisia muscular por bloqueio de receptores de acetilcolina excitatórios na junção neuromuscular.
A maioria dos fármacos psicoativa afeta a sinalização sináptica pela ligação a receptores de neurotransmissores.
Muitos fármacos agem pela sua ligação a canais iônicos controlados por transmissor no encéfalo.
Os sedativos e os tranquilizantes ligam-se aos canais de Cl– controlados por GABA. Sua ligação torna os canais mais fáceis de serem abertos pelo GABA,
deixando o neurônio mais sensível à ação inibitória do GABA.
Em contraste, o antidepressivo cloridrato de fluoxetina bloqueia o simporte dependente de Na+ responsável pela recaptação do neurotransmissor excitatório serotonina, aumentando a quantidade de serotonina disponível nas sinapses que a usam.