9ª Aula

Prévia do material em texto

•  Canais iónicos membranares. Tipos de canais. Estrutura e natureza da 
 permeabilidade/selectividade dos canais iónicos. 
•  Estrutura e mecanismops de selectividade do canal para K+. 
•  Difusão simples à luz da termodinâmica. Natureza estatística da 2ª Lei da 
 Termidinâmica (Leis físicas são probabilísticas). 
Bibliografia 
•  Lodish H., Baltimore D., Berk A., Zipursky S.L., Matsudaira P., and Darnell J., Molecular Cell Biology (4ª 
Ed.), Freeman W.H. and Company (USA), Cap 15 (2000). 
•  Nelson D.L., and Cox M.M., Lehninger – Principles of Biochemistry (4ª Ed.), Freeman W.H. and Company 
(USA), pp 406-408 (2005). 
Canais Iónicos
  As subunidades organizam-se de um modo simétrico, formando um 
 poro central hidrofílico através do qual passam os iões. 
  O poro localiza-se no eixo de simetria do canal 
  Os canais iónicos são muito selectivos, permitindo a passagem de
 um só tipo de ião. 
  Foram identificados canais selectivos para o Na+, K+, Ca2+, Cl-.
Canal de Na+
Canais Iónicos 
A permeabilidade/selectividade do canal iónico depende de:
1.  Natureza das α-hélices e folhas β que contornam o poro 
2. Diâmetro da porção mais estreita do poro
3. Densidade de carga, tamanho e grau de hidratação do ião 
pormenorizando ...
1.  Natureza das hélices α e folhas β que revestem o poro 
  Canais catiónicos são carregados negativamente no seu interior 
  Canais aniónicos são carregados positivamente no seu interior 
A permeabilidade/selectividade do canal iónico depende de:
2. Do diâmetro da porção mais estreita do poro
A permeabilidade/selectividade do canal iónico depende de:
pormenorizando ...
3. Da densidade de carga, tamanho e grau de hidratação do ião 
 ex: canal de Na+
pormenorizando ...
A permeabilidade/selectividade do canal iónico depende de:
CANAIS IÓNICOS – “canais proteicos”
  TRANSPORTE RÁPIDO 
  ALTAMENTE SELECTIVO 
  ALTERNÂNCIA ABERTO/FECHADO – “GATES”
Canal de Na+ 
Canal de K+ 
Filtro de Selectividade no canal de K+
O Canal de K+ não permite a passagem dos iões Na+
O Canal de Potássio 
•  Esquema da estrutura do canal de K
+ visto perpendicularmente ao plano 
da membrana. A molécula é 
tatramérica com um orifício no meio 
que forma o poro para o ião (roxo). 
Cada subunidade forma 2 hélices 
transmembranares, a hélice interna 
e a hélice externa. A hélice do poro e 
as regiões “loop” formam o poro em 
combinação coma a hélice interna. 
Potassium Channel Selectivity Filter 
•  Diagram showing 2 subunits of 
the K+ channel, illustrating the 
way the selectivity filter is 
formed. Main-chain atoms line 
the walls of this narrow passage 
with carbonyl oxygen atoms 
pointing into the pore, forming 
binding sites for K+ ions. 
The Ion Pore of the Potassium Channel 
The cytosolic side of the pore begins as a water-filled channel that 
opens up into a water-filled cavity near the middle of the membrane. A 
narrow passage, the selectivity filter, links this cavity to the external 
solution. Three potassium ions (purple spheres) bind in the pore. The 
pore helices (red) are oriented such that their carboxyl end (with a 
negative dipole moment) is oriented towards the center of the cavity to 
provide a compensating dipole charge to the K+ ions.
Filtro de Selectividade no canal de K+
O Canal de K+ não permite a passagem dos iões Na+
Ilustração dos conceitos fundamentais da 
selectividade iónica 
Em cima, K+ e Na+ estão representados em solução 
com a sua primeira camada de hidratação. A diferença 
na energia livre de hidratação ΔGbulk entre estes dois 
catiões é de ∼17 kcal/mol. A ligação ao local de 
encaixe (B) cujo tamanho é precisamente idêntico ao 
do ião K+ (left) não fornece uma circunvizinhança 
favorável para o Na+ que é mais pequeno (right). 
Neste caso, a selectividade é baixa devido à pequena 
energia livre de interacção (ΔGint ) da coordenação 
entre o Na+ e o local de ajuste. 
H2O 
H2O H2O 
H2O H2O 
H2O H2O 
H2O 
C=O C=O 
C=O C=O 
C=O C=O 
C=O C=O 
Energia livre de hidratação(∆Ghidratação)
∆Ghidratação é a alteração de energia livre associada à transferência de um mole da 
molécula da fase gasosa para a fase aquosa.
São alterações de energia enormes!
O Canal de K+ exclui eficazmente o Na+: 
 1. diferença na energia de hidratação 
 2. diferença na energia de coordenação
O custo energético da desidratação do K+ é compensado pelas interacções favoráveis no filtro 
de selectividade. Como o Na+ é demasiado pequeno para interagir favoravelmente com o filtro 
de selectividade, a energia livre de dessolvatação não pode ser compensada e os iões Na+ 
não conseguem passar através do canal.
Roderick MacKinonn – Prémio Nobel, 2003
Mecanismo para a selectividade iónica dos canais de K+
À medida que os iões de K+ passam através do filtro de selectividade perdem as 
suas águas de ligação e, em substituição, são coordenados por 8 grupos carbonilo 
do “backbone”. 
Os iões mais pequenos de Na+ não conseguem ser perfeitamente coordenados por 
esses oxigénios e, por conseguinte, não conseguem passar. 
O ião deve ter um ajuste exacto ao local para criar um meio energeticamente favorável para remoção das moléculas de água 
Filmes 
 canal de potássio 
http://www.youtube.com/watch?v=UqxzSrjzJ70
http://www.youtube.com/watch?v=4zms9bXM2FA
http://www.youtube.com/watch?v=AKCtbJBYUKo
Tipos de canais iónicos 
- - - - - -
+ + + + + +
 + +
 - -
Os canais podem abrir em resposta a um tipo de estímulo: 
a.  canais dependentes de voltagem: o canal abre ou fecha em 
resposta ao potencial de membrana 
b.  canais dependentes de ligando: uma molécula específica 
liga-se a um receptor membranar e abre o canal 
Exemplo de mecanismo de difusão através de canal 
iónico dependente da voltagem 
Ex: Canal de Na+
despolarização
Exemplo de mecanismo de difusão através de canal iónico 
dependente do ligando 
Receptor nicotínico de acetilcolina (Ach)
  Presente: 
– no SNC e gânglios autonómicos (transmissão de impulsos nervosos através das sinapses) 
– no músculo esquelético (transmissão na junção neuro-muscular) 
  Canal catiónico dependente do ligando 
  Possui estrutura pentagonal simétrica. É constituído por 5 subunidades (α2βγδ) 
Receptores Ionotrópicos 
O receptor, ele próprio, é um canal iónico. A activação do 
receptor promove uma alteração da sua conformação 
Receptores Metabotrópicos 
1. By phosphorylation and desphosphorylation of the 
protein, structural changes can be achieved 
2. The coupling of a messenger (typically a 
neurotransmitter), causes it to open. These are called 
direct gated receptors, or ionotropic receptors 
3. The change in membrane potential can cause a 
conformational change. These are the voltage 
sensitive channels 
Very few ion channels are open all the time (called leak channels), and most 
have very complex ways of opening and closing. 
•  Gap junctions – complexos de proteínas especializadas formadoras de um 
poro aquoso entre duas células adjascentes
•  Mensajeiros químicos hidrofílicos podem atravessar a membrana lipídica
•  Tipicamente envolve o movimeno de iões
Gap junctions 
Gap Junctions 
INTERVALO…. 
Porque razão as moléculas se difundem de zonas de 
maior concentração para zonas de menor concentração? 
Existe alguma força física responsável 
por esse movimento? 
∆G = ∆H – T∆S 
A Lei da Difusão baseia-se no puro acaso e a 
sua validade é uma mera aproximação. 
Esta aproximação é, no entanto, excelente 
porque, regra geral, uma enorme quantidade 
de moléculasparticipa no processo.