BIOFISICA

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Biofísica das Membranas
Prof Jessica Cruz
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Função da Membrana Plasmática
Cada célula animal é delimitada por uma bolha minúscula de membrana e essa membrana tem a consistência semelhante ao óleo de salada.
A membrana plasmática não define apenas as bordas da célula, mas também permite que a célula interaja com seu ambiente de forma controlada.
Barreira semipermeável entre a célula e seu ambiente. 
Ela também precisa de proteínas, que estão envolvidas no transporte através da membrana e na comunicação celular, e carboidratos (açúcares e cadeias de açúcar), que enfeitam as proteínas e os lipídios e ajudam as células a reconhecerem umas às outras..
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Composição e Estrutura
A membrana celular, também chamada de membrana plasmática, membrana citoplasmática ou plasmalema é o envoltório que toda célula possui. 
Ela define os limites da célula e, com isso, mantém as diferenças de composição entre os meios intracelular e extracelular. 
Elas são constituídas basicamente de proteínas, lipídios e carboidratos. 
A membrana, por separar os meios intra e extracelular, seleciona as substâncias que devem passar, ou não, pela membrana. 
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O atual Modelo para as membranas celulares é o do mosaico fluido proposto por Singer & Nicolson, em 1972. 
Cada célula é envolvida por uma membrana plasmática que a separa do meio extracelular. 
A membrana plasmática serve como uma barreira de permeabilidade que permite com que a célula mantenha a composição citoplasmática diferente da composição do fluido extracelular. 
A membrana contém enzimas, receptores e antígenos importantes na interação com hormônios, agentes reguladores e também com outras células 
Além disso, muitas proteínas formam canais ou carreadores na membrana para permitir o transporte de substâncias através da membrana. 
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Composição e Estrutura
Dupla Camada Lipídica
As membranas celulares consistem principalmente em uma bicamada lipídica que isola e protege o interior da célula.
Proteínas Transmembrana
Diversas proteínas estão inseridas na membrana para transportar substâncias e receber sinais externos.
Carboidratos Ligados
Carboidratos aderidos à superfície das membranas desempenham papel no reconhecimento celular.
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Um fosfolipídio é um lipídio composto por glicerol, duas caudas de ácido graxo e uma cabeça com um grupo de cadeias de fosfato. 
Membranas biológicas normalmente envolvem duas camadas de fosfolipídios com suas caudas apontando para dentro, uma estrutura chamada de camada dupla de fosfolipídio.
O colesterol, outro lipídio composto por quatro anéis de carbono interligados, é encontrado ao lado dos fosfolipídios no núcleo da membrana.
As proteínas das membranas podem se estender parcialmente pela membrana plasmática, cruzar a membrana completamente, ou ficar livremente anexadas a superfícies de dentro ou de fora.
Grupos de carboidrato estão presentes apenas na superfície externa da membrana plasmática e estão anexados a proteínas, formando glicoproteínas, ou lipídios, formando glicolipídios.
As moléculas lipídicas constituem 50 % da massa da maioria das membranas de células animais, sendo o restante, constituído de proteínas. 
As moléculas lipídicas são anfipáticas, pois possuem uma extremidade hidrofílica ou polar (solúvel em meio aquoso) e uma extremidade hi- drofóbica ou não-polar (insolúvel em água). 
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Proteínas de membrana
As proteínas presentes na estrutura da membrana plasmática desempenham uma série de funções importantes para a célula, estando relacionadas, por exemplo, com o transporte de substâncias, comunicação entre células vizinhas e atividades enzimáticas. A depender da célula analisada, observa-se diferentes quantidades e também diferentes tipos de proteínas.
Podemos classificar as proteínas presentes na membrana em dois grupos principais:
Proteínas integrais: As proteínas integrais são aquelas que penetram na bicamada lipídica. Algumas atravessam completamente a membrana, as chamadas proteínas transmembrana. A proteína transmembrana pode passar uma vez pela membrana ou, então, atravessá-la várias vezes.
Proteínas periféricas: As proteínas periféricas são aquelas que não penetram na membrana plasmática, estando apenas conectadas a essa estrutura fracamente."
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Funções das Membranas
Barreira Seletiva
A membrana controla o movimento de substâncias para dentro e para fora da célula, permitindo a regulação precisa dos processos celulares.
Sinalização Celular
Receptores na membrana detectam sinais químicos e desencadeiam respostas celulares.
Ancoragem Celular
Aderências entre células vizinhas ajudam a manter a estrutura dos tecidos e órgãos.
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Transporte através das Membranas
Transporte Passivo
Moléculas se movem com base no gradiente de concentração e energia térmica.
Transporte Ativo
Moléculas são bombeadas ativamente contra o gradiente de concentração, exigindo gasto de energia.
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Transporte, ação catalítica e endocitose – eventos mediados por proteína de membrana
Os receptores de superfície não atuam apenas através da ativação de determinadas enzimas 
Muitas vezes, o acoplamento ligante-receptor provoca modificações conformacionais de determinadas proteínas integrantes transmembranosas, criando, por exemplo, canais hidrofílicos momentâneos que permitem o passsagem de certos íons (Fig. 11). 
A variação na concentração intracelular de íons pode levar, como no caso do AMP cíclico, a uma série de alterações funcionais da célula.
Em outras situações, o próprio receptor é uma proteína enzimática. A presença de um ligante no receptor ativa que, mais uma vez, pode levar a uma cascata de eventos intracelulares e a uma determinada resposta fisiológica da célula (Fig. 11).
Finalmente, os complexos ligante-receptor podem estar associados a um fenômeno de endocitose, onde ocorre uma invaginação localizada da MP, formando-se uma vesícula intracelular contendo esses complexos. 
O transporte mais simples que se pode conceber é a difusão física das substâncias através da bicamada lipídica da MP (Fig. 13). 
Também chamado de transporte não mediado, a difusão depende, basicamente, da existência de um gradiente de concentração favorável e da natureza da substância transportada. 
De um modo geral, quanto maior for sua solubilidade em lipídios e menor seu tamanho molecular, mais facilmente se dará sua passagem pela membrana. A água constitui uma exceção notável: apesar da barreira hidrofóbica, suas moléculas difundem-se de forma relativamente rápida através da membrana. 
A simples difusão de moléculas lipossolúveis ou de pequenas moléculas polares, mas não carregadas, como a água e o glicerol ocorre, portanto, sem grandes problemas (Fig. 12). No entanto, devido ao seu interior hidrofóbico, a MP constitui uma séria barreira à passagem da maioria das moléculas maiores não carregadas, como a glicose e a sacarose, assim como a íons. 
Como o transporte de muitas dessas substâncias, que incluem também aminoácidos e nucleotídios, por exemplo, é vital para a célula, uma série de mecanismos foram desenvolvidos no sentido de permitir ou mesmo auxiliar sua passagem, especificamente, através dessa barreira (Fig. 13).
A seletividade e o transporte através da membrana
A seletividade da MP, traduzida pela capacidade da membrana em transportar especificamente determinadas substâncias, constitui uma das suas propriedades mais notáveis (Fig. 12). 
Pequenas moléculas ou íons passam pela membrana por simples difusão ou por meio de proteínas integrantes que mediam esse transporte. 
Estruturas maiores, como macromoléculas ou até organismos inteiros, como vírus e bactérias, entram na célula usando a rota endocítica, tema da próxima unidade.
Difusão
A difusão é um processo passivo em que moléculas se espalham aleatoriamente a partir de uma região de alta concentração para baixa concentração.
Consiste na passagem das moléculas do soluto, do local de maior para o local de menor concentração, até estabelecer umequilíbrio.
 
É um processo lento, exceto quando o gradiente de concentração for muito elevado ou as distâncias percorridas forem curtas. A passagem de substâncias, através da membrana, se dá em resposta ao gradiente de concentração.
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Osmose
A osmose é a difusão de água através de uma membrana semipermeável, de forma a equalizar a concentração de solutos de ambos os lados.
A água se movimenta livremente através da membrana, sempre do local de menor concentração de soluto para o de maior concentração. 
A pressão com a qual a água é forçada a atravessar a membrana é conhecida por pressão osmótica. 
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Osmose
A osmose não é influenciada pela natureza do soluto, mas pelo número de partículas. Quando duas soluções contêm a mesma quantidade de partículas por unidade de volume, mesmo que não sejam do mesmo tipo, exercem a mesma pressão osmótica e são isotônicas. Caso sejam separadas por uma membrana, haverá fluxo de água nos dois sentidos de modo proporcional.
Quando se comparam soluções de concentrações diferentes, a que possui mais soluto e, portanto, maior pressão osmótica é chamada hipertônica, e a de menor concentração de soluto e menor pressão osmótica é hipotônica. 
Separadas por uma membrana, há maior fluxo de água da solução hipotônica para a hipertônica, até que as duas soluções se tornem isotônicas.
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Transporte Ativo e Passivo
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Transporte Passivo
O transporte passivo não requer gasto de energia e inclui difusão simples, facilitada e osmose.
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Transporte Ativo
O transporte ativo exige energia e envolve a movimentação de íons e moléculas contra gradiente de concentração.
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Co-Transporte
Algumas proteínas de transporte permitem o acoplamento de substâncias diferentes para atravessar a membrana.
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Entretanto, a célula precisa de algumas moléculas que não são capazes de atravessar a membrana plasmática por simples difusão, como aminoácidos e nucleotídeos. 
Tais mecanismos envolvem determinadas proteínas integrantes de membrana, que mediam a passagem dessas substâncias. Algumas dessas proteínas, conhecidas por proteínas de canal. Alguns canais encontram-se permanentemente abertos (canais livres), pouco comuns na MP. 
Na maioria dos casos, os canais se abrem após algum estímulo recebido pela célula. 
Outras proteínas, denominadas de proteínas transportadoras ou permeases, atuam de modo bem mais sofisticado, executando um tipo de transporte denominado de transporte mediado. Neste transporte ocorre um reconhecimento inicial do soluto a ser transportado (agindo, pois, como ligante), que se liga ao sítio ativo. Após esta ligação, a proteína transportadora sofre uma alteração conformacional, de tal sorte que seu sítio ativo fica, agora, voltado para o lado oposto da membrana. Ocorre então o desacoplamento do soluto, completando-se sua transferência (Fig. 13).
O transporte mediado pode ser passivo, quando não houver gasto de energia metabólica para sua efetivação; neste caso, a transferência de soluto só se dará a favor de um gradiente de concentração. O transporte mediado também poderá ser ativo, com gasto de energia metabólica e contra um gradiente de concentração. Um exemplo clássico desta última situação é proporcionado pela chamada "bomba" de Na+- K+, encontrada em, virtualmente, todas as células animais (Fig. 14).
Transporte Ativo 
Neste processo, as substâncias são transportadas com gasto de energia, podendo ocorrer do local de menor para o de maior concentração (contra o gradiente de concentração). 
Esse gradiente pode ser químico ou elétrico, como no transporte de íons. O transporte ativo age como uma “porta giratória”. 
A molécula a ser transportada liga-se à molécula transportadora (proteína da membrana). 
A molécula transportadora gira e libera a molécula carregada no outro lado da membrana. 
Gira, novamente, voltando à posição inicial. 
A bomba de sódio e potássio liga-se em um íon Na+ na face interna da membrana e o libera na face externa. 
Ali, se liga a um íon K+ e o libera na face interna. 
A energia para o transporte ativo vem da hidrólise do ATP.
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Conclusão
A biofísica das membranas é fundamental para o entendimento da fisiologia celular e sua aplicação em diferentes áreas da saúde.
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Referências
Lodish H, Berk A, Zipursky SL, et al. Molecular Cell Biology. 4ª ed. New York: W. H. Freeman; 2000.
Alberts B, Johnson A, Lewis J, et al. Molecular Biology of the Cell. 6ª ed. New York: Garland Science; 2014.
Bruce Alberts, Alexander Johnson, Julian Lewis, Martin Raff, Keith Roberts, Peter Walter. Molecula da Célula. 6ª ed. Porto Alegre: Artmed Editora; 2019.
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