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POLÍGRAFO DE FISIOLOGIA 1º BIMESTRE I. FISIOLOGIA CELULAR O entendimento das funções dos sistemas exige profundo conhecimento dos mecanismos celulares básicos. Embora haja diferenças entre os sistemas, eles são embasados por um conjunto comum de princípios fisiológicos. 1.1 VOLUME E COMPOSIÇÃO DOS LÍQUIDOS CORPORAIS No organismo humano, a água constitui uma alta proporção do peso corporal. A quantidade de água é denominada de água corpórea total (50% a 70% do peso corporal). Em geral a água corpórea se correlaciona inversamente com a gordura corporal. Assim, a água corpórea total corresponde a uma maior percentagem do peso corporal quando a gordura é pouca e a uma menor percentagem quando a gordura é muita. Devido às mulheres terem maior percentual de tecido adiposo que os homens, elas possuem menor quantidade de água corporal. A água corpórea total é dividida entre dois compartimentos orgânicos: líquido intracelular (LIC) e líquido extracelular (LEC). O LIC está contido dentro das células e corresponde a 2/3 da água corpórea total; o LEC está fora das células e corresponde a 1/3 da água corpórea total. O LIC e LEC estão separados pelas membranas celulares (citoplasmáticas). O LEC está dividido em dois compartimentos: o plasma (líquido circulante nos vasos sangüíneos) e o líquido intersticial, que banha as células. Eles são separados pela parede capilar. Devido à parede do capilar ser impermeável a grandes moléculas, como proteínas plasmáticas, o líquido intersticial contém pouca ou nenhuma proteína. A composição dos líquidos corporais não é uniforme. Apresentam concentrações amplamente diferentes dos vários solutos. Há também diferenças nas concentrações de solutos entre o plasma e o líquido intersticial, que ocorrem como resultado da exclusão da proteína do líquido intersticial. As quantidades de soluto são expressas em moles, equivalentes ou osmoles. Podem ser expressas em moles por litro (mol/L), equivalentes por litro (Eq/L) ou osmoles por litro (Osm/L). Nas soluções biológicas, as concentrações de soluto são geralmente muito baixas e expressas em milimoles por litro (mmol/L), miliequivalentes por litro (mEq/L) ou miliosmoles por litro (mOsm/L). Os compartimentos hídricos orgânicos devem obedecer ao princípio da eletroneutralidade; isto é, cada compartimento deve ter a mesma concentração em mEq/L de cargas positivas (cátions) e negativas (ânions). Mesmo quando há uma diferença de potencial através da membrana celular, o equilíbrio de cargas ainda é mantido nas partes principais das soluções. Fig. 1: Composição química dos líquidos extracelular e intracelular. O principal cátion do LEC é o sódio (Na+), e os ânions que o contrabalançam é o cloreto (Cl-) e o bicarbonato (HCO3-). Os principais cátions do LIC são o potássio (K+) e o magnésio (Mg2+), e os ânions que os contrabalançam são as proteínas e os fosfatos orgânicos. Outras diferenças notáveis são de Ca2+ e do pH. O LIC apresenta uma concentração muito baixa de Ca2+ ionizado, enquanto o LEC apresenta 4 vezes mais. O LIC é mais ácido (tem um pH mais baixo) do que o LEC. Apesar de todas as diferenças entre as concentrações individuais, a concentração total é mantida em equilíbrio devido ao fato da água fluir livremente através das membranas celulares. As diferenças de concentração através das membranas são mantidas por mecanismos de transporte que consomem energia, localizados nas membranas. O mais conhecido é o mecanismo de transporte Na+-K+- ATPase (bomba Na+-K+), que transporta Na+ do LIC para LEC e K+ do LEC para LIC, contra seus respectivos gradientes de concentração, utilizando energia (ATP). De modo semelhante, a concentração intracelular de cálcio é mantida num nível mais baixo do que a concentração extracelular. Essa diferença é estabelecida, em parte, por uma Ca2+ ATPase de membrana celular, que bombeia Ca2+ contra seu gradiente eletroquímico, utilizando ATP como energia. Além dos transportes que usam diretamente ATP como fonte de energia, outros estabelecem diferenças de concentração através da membrana celular por utilizarem o gradiente transmembranar do Na+ (estabelecido pela bomba Na+-K+ ATPase) como fonte de energia. Esses transportadores criam gradientes de concentração para glicose, aminoácidos, Ca2+ e H+ sem utilização direta de ATP. As membranas celulares têm a maquinaria necessária para estabelecer gradientes grandes de concentração. Porém, se as membranas forem livremente permeáveis a todos os solutos, esses gradientes poder-se-iam rapidamente dissipar. Assim, é importante que as membranas celulares não sejam livremente permeáveis a todas as substâncias, e sim que tenham permeabilidade seletiva, que mantém os gradientes de concentração estabelecidos pelos processos de transporte consumidores de energia. De modo geral, as diferenças de concentração entre o LIC e LEC sustentam funções fisiológicas importantes. 1.2 ESTRUTURA CELULAR Embora existam diferentes células, em geral possuem semelhanças. A figura ilustra todos os componentes de uma célula típica. Cada célula especializada, como por exemplo, uma célula nervosa ou sangüínea, possuem alguma ou todas as propriedades de uma célula. A célula é envolvida por membrana e apresenta diversas estruturas com funções determinadas. Fig.2: Estrutura da célula * MEMBRANA CELULAR As membranas são componentes de todas as células. Todas as células são revestidas pela membrana plasmática, que as separa do ambiente extracelular. A membrana plasmática, como já mencionado, atua como uma barreira de permeabilidade. Contém enzimas, receptores e antígenos que desempenham papéis importantes na interação da célula com outras células e com hormônios e outros agentes reguladores do líquido extracelular. As membranas revestem organelas das células eucarióticas, que dividem a célula em compartimentos distintos, no interior dos quais realizam processos bioquímicos determinados. A maioria das membranas biológicas apresenta diversas características em comum. Porém, a composição e estrutura dessas membranas diferem de uma célula a outra e entre as membranas de uma mesma célula. Estrutura da Membrana Os constituintes mais abundantes das membranas celulares são proteínas e lipídios. O componente lipídico consiste de fosfolipídios, colesterol e glicolipídios e é responsável pela alta permeabilidade das membranas celulares a substâncias lipossolúveis (CO2, O2, ácidos graxos e hormônios esteróides) e baixa permeabilidade a substâncias hidrossolúveis (íons, glicose, aminoácidos). O componente protéico consiste em transportadores, enzimas, receptores de hormônios, antígenos de superfície e canais para íons e para água. • Composição Lipídica: • Fosfolipídios: consiste de um grupamento polar da cabeça (glicerol fosforilado) e por duas caudas não-polares (ácidos graxos). O grupamento polar é hidrofílico enquanto as caudas são hidrofóbicas. Em ambiente aquoso, os fosfolipídios se organizam com suas cadeias hidrofóbicas de ácidos graxos para longe do contato com a água, formando a bicamada lipídica. Fig.3: Estrutura da membrana celular e da bicamada lipídica. Os fosfolipídios mais abundantes dessas membranas são, com freqüência, os contendo colina (lecitinas e esfingomielinas). A seguir, em abundância, estão os aminofosfolipídios. Outros fosfolipídios são o fosfatidilglicerol, fosfatidilinositol e cardiolipina. Alguns estão em quantidade diminuta nas membranas e desempenham papel vital no processo de transdução celular de sinais. O fosfatidilinositol bifosfato, quando clivado por uma fosfolipase C ativada por receptor, libera o inositol trifosfato (IP3) e o diacilglicerol. O IP3 é liberado no citosol atuando nos receptores do retículo endoplasmático para promover a liberação das reservasde cálcio. O diacilglicerol permanece na membrana plasmática, onde participa, junto com o cálcio na ativação da proteína C quinase, uma importante proteína de transdução de sinais. • Colesterol: importante componente das membranas plasmáticas. Seu núcleo fica paralelo às cadeias de ácido graxo dos fosfolipídios das membranas. Atua como um “tampão de fluidez”, tendendo a manter a fluidez da região das cadeias da bicamada lipídica dentro de uma faixa intermediária na presença de substâncias como o álcool e os anestésicos gerais. • Glicolipídios: não são abundantes na membrana, mas exercem importantes funções. São encontrados onde seus grupamentos carboidratos projetam-se da superfície externa das membranas. Esses grupamentos funcionam como receptores ou antígenos. Fig. 4: Estrutura da membrana plasmática e proteínas da membrana • Componente protéico: a maioria são glicoproteínas, que apresentam cadeias laterais de carboidratos fixadas. As cadeias estão localizadas na superfície externa das membranas plasmáticas. A fibronectina é um exemplo de glicoproteína fibrosa que ajuda as células a se prenderem, por meio das glicoproteínas da superfície celular, chamadas integrinas, a proteínas da matriz extracelular, permitindo a comunicação entre a matriz extracelular e o citoesqueleto da célula durante o desenvolvimento embrionário. Podem ser integrais ou periféricas, dependendo se elas atravessam a membrana ou se estão presentes apenas em um lado dela. A distribuição na bicamada fosfolipídica é ilustrada no modelo do mosaico fluido. • Proteínas Integrais: atravessam a membrana inteira. Possuem uma porção central hidrofóbica que está ancorada à bicamada lipídica por ligações hidrofóbicas, e porções terminais hidrofílicas que fazem protusão nas soluções aquosas do LIC e LEC. Elas podem atuar como transportadores (bomba Na+-K+) ou canais iônicos, fornecendo rotas para a transferência de substâncias hidrossolúveis pela bicamada lipídica. • Proteínas periféricas: estão presentes apenas em um lado da membrana. Estão ancoradas à bicamada por interações eletrostáticas com os fosfolipídios da membrana. São exemplos os receptores de hormônios e os antígenos de superfície celular. * INTERIOR DA CÉLULA O interior é composto de dois compartimentos: o núcleo e o citoplasma. NÚCLEO O núcleo é o centro de controle de toda a atividade celular. A maioria das células apresenta um único núcleo. As células vermelhas maduras do sangue não apresentam núcleo, enquanto outras, como as células brancas, apresentam vários núcleos. Apresenta grande quantidade de DNA, que são os genes e determinam várias características celulares. Envolvendo o núcleo há a membrana nuclear, que apresenta grandes poros, que permitem o transporte de substâncias entre o núcleo e o citoplasma. A membrana nuclear consiste de duas bicamadas lipídicas, sendo que a externa é contínua com o retículo endoplasmático do citoplasma, e o espaço entre as duas membranas também é contínuo com o espaço no interior do retículo endoplasmático. O núcleo contém uma substância gelatinosa denominada nucleoplasma e o nucléolo, que não apresenta membrana limitante e é agregado de grande quantidade de RNA e proteínas do tipo encontrado nos ribossomas. O nucléolo fica aumentando durante a síntese protéica. CITOPLASMA É composto principalmente de água, eletrólitos, nutrientes e produtos do metabolismo. É cheio de partículas dispersas e organelas com dimensões variadas e também corpos de inclusão, que são os vacúolos, vesículas secretoras e grânulos (estruturas temporárias que aparecem e desaparecem constantemente). A parte líquida é onde ficam as partículas dispersas, o citosol e contém, principalmente, proteínas dissolvidas, eletrólitos e glicose. - Retículo endoplasmático (RE): é uma densa rede de estrutura tubulares e vesiculares achatadas, que se interconectam. O espaço dentro dos túbulos e das vesículas é preenchido pela matriz endoplasmática. As substâncias formadas na célula entram para o RE e são conduzidas para outras partes da célula. Há muitos sistemas enzimáticos presos às suas membranas que fornecem muitas funções metabólicas celulares. Os ribossomas ficam presos às superfícies externas de muitas partes do RE. Onde estão presentes o RE é chamado retículo endoplasmático granular ou rugoso (RER) e nas partes onde não tem ribossomas é chamado retículo endoplasmático agranular ou liso (REL), que atua na síntese de substâncias lipídicas e em muitos processos enzimáticos da célula. - Aparelho de Golgi: é formado por uma série de sacos membranosos achatados sobrepostos, localizados de um dos lados do núcleo. Intimamente relacionado com o RE. Suas membranas são semelhantes às do RER. Esse aparelho é proeminente nas células secretoras. Atua em associação com o RE, pois as proteínas sintetizadas no RER são transportadas para o aparelho de Golgi através dos canais formados pelo RE. As vesículas do RE brotam continuamente do RE, fundindo-se, logo depois, com o aparelho de Golgi e então são processadas, para formar os lisossomas, vesículas secretoras ou outros componentes citoplasmáticos. Fig 5.: Estrutura do RE e aparelho de Golgi - Lisossomas: organelas vesiculares que se formam ao se soltarem do aparelho de Golgi, dispersando-se por todo o citoplasma. Possuem enzimas hidrolíticas potentes (hidrolases), e são consideradas como enzimas digestórias. As enzimas digestórias decompõem os fragmentos e resíduos intracelulares, participam da destruição de bactérias (fagocitose), auxiliam no processo de diminuição do tamanho de um órgão (útero após o parto). As enzimas hidrolíticas são capazes de clivar um composto orgânico em duas ou mais frações, por combinar o hidrogênio de uma molécula de água com uma parte do composto, e o radical hidroxila, da molécula de água, com outra parte do composto. Os lisossomas são responsáveis pela autólise, processo pelo qual toda a célula é digerida (no caso de uma lesão grave). - Peroxissomas: são fisicamente semelhantes aos lisossomas, mas diferem deles por serem provavelmente produzidos por auto-replicação e por conterem oxidases (combinam o oxigênio com íons hidrogênio de diferentes substâncias químicas intracelulares, para formar peróxido de hidrogênio (H2O2), que é altamente oxidante, sendo usado em associação com a catalase, outra enzima oxidante, presente em grandes quantidades nos peroxissomas para oxidar muitas substâncias que, de outra forma, seriam venenosas às células. - Mitocôndrias: são organelas minúsculas, em forma de sapato, que variam em quantidade de acordo com a atividade metabólica da célula, quanto maior a atividade metabólica maior o número de mitocôndrias (fígado apresenta grande quantidade delas). São chamadas usinas das células. Sem elas as células seriam incapazes de extrair quantidade significativa de energia dos nutrientes e, como conseqüência, todas as atividades celulares cessariam. Apresentam duas bicamadas lipídicas, sendo a membrana externa e a membrana interna. As dobras da membrana interna formam as cristas mitocondriais, sobre as quais estão fixadas as enzimas oxidativas. A cavidade interna é preenchida por uma matriz, que contém grande quantidade de enzimas dissolvidas, necessárias para a extração de energia dos nutrientes. Essas enzimas agem em associação com as enzimas das cristas, para produzirem a oxidação dos nutrientes, formando CO2 e água, ao mesmo tempo em que libera energia. A energia liberada é usada para formar um composto de alta energia – adenosina trifosfato (ATP), que é transportado para fora da mitocôndria, difundindo-se por toda a célula, para liberação da energia onde for necessária para a realização das funções celulares. São auto- replicantes por possuírem DNA, podendo formar outrassempre que houver necessidade de maior quantidade de produzir ATP. - Citoesqueleto: é composto por microfilamentos e microtúbulos. Participa da manutenção da forma da célula e auxilia em diferentes tipos de movimento celular. 1.3 SISTEMAS FUNCIONAIS DA CÉLULA As células são banhadas por um líquido extracelular que é rico em nutrientes e que são necessários ao conteúdo da célula e devem, portanto, atravessar a membrana celular. Os resíduos celulares que se acumula no interior da célula devem atravessar a membrana para serem eliminados do organismo. Existem mecanismos que participam do movimento da água e substâncias dissolvidas através da membrana celular. Podem ser divididos em processos passivos e ativos. A maior parte das substâncias atravessam a membrana celular por difusão ou transporte ativo. A difusão significa, simplesmente, o movimento através da membrana, causado pela movimentação aleatória das moléculas da substância deslocando-se através dos poros da membrana celular ou, no caso das substâncias solúveis em lipídios, através da matriz lipídica da membrana. O transporte ativo significa o verdadeiro transporte de uma substância através da membrana celular, por estrutura protéica física, que cruza toda a espessura da membrana. Partículas muito grandes entram nas células por função especializada da membrana celular que ocorre pela membrana, mas não através dela, chamada endocitose. ENDOCITOSE É o processo que permite a entrada de material na célula sem passar através da membrana plasmática. Fig. 6: Processo de endocitose celular As principais formas de endocitose são a pinocitose e a fagocitose. • Pinocitose: ocorre, continuamente, na membrana celular da maioria das células, de forma rápida. É o único meio pelo qual a maior parte das moléculas de macromoléculas, como a da maioria das moléculas de proteínas, pode entrar nas células. A velocidade com que se formam as vesículas pinocíticas, em geral, fica aumentada quando tais macromoléculas se prendem à membrana celular. A pinocitose ocorre da seguinte forma: A e B. As moléculas se prendem a receptores protéicos especializados na superfície da membrana, que são específicos para o tipo de proteína que deve ser absorvido. Esses receptores, geralmente, ficam localizados em depressões na superfície da membrana (depressões revestidas - coated pits). Na face interna da membrana, abaixo das depressões, existe uma malha de proteína fibrilar (clatrina). C. Após a fixação as propriedades superficiais da membrana se alteram, de modo que toda a depressão se invagina para dentro da célula e as proteínas fibrilares que circundam a depressão invaginante fazem com que suas bordas se fechem sobre as proteínas fixadas, bem como sobre a pequena quantidade de líquido extracelular. D. A porção invaginada da membrana se separa da superfície da célula, formando uma vesícula pinocítica no citoplasma, necessitando energia suprida por ATP e também de íons cálcio no líquido extracelular que reagem com proteínas contráteis, por baixo da depressão revestida, para gerar força necessária para separação das vesículas da membrana celular. Fig. 7: Mecanismo de pinocitose • Fagocitose: ocorre de modo semelhante à pinocitose, porém envolve partículas grandes, em vez de moléculas. Apenas algumas células têm a capacidade de fagocitose, mais notavelmente os macrófagos teciduais e alguns dos glóbulos brancos. - Inicia-se quando uma partícula (bactéria, célula morta ou detrito tecidual) se fixa aos receptores na superfície do fagócito. - Os receptores da membrana celular se prendem a ligandos da superfície da partícula. - As bordas da membrana se evaginam para fora, circundando a partícula e, então progressivamente, mais receptores se prendem aos ligandos, formando a vesícula fagocítica. - A actina e outras fibrilas contráteis cercam a vesícula e se contraem em torno de sua borda externa, empurrando a vesícula para dentro da célula. - As proteínas contráteis, em seguida, separam a vesícula da membrana celular, deixando-a dentro da célula como na pinocitose. EXOCITOSE As moléculas podem ser ejetadas pela célula por exocitose. É semelhante à endocitose invertida. A liberação de neurotransmissores pelas terminações nervosas pré-sinápticas ocorre por exocitose e é responsável pela liberação de proteínas secretoras por muitas células. Fig. 8: Processo de Exocitose FUSÃO DAS VESÍCULAS MEMBRANOSAS Após o aparecimento das vesículas, pinocítica ou fagocítica, no interior da célula, um ou mais lisossomas se prendem a essa vesícula, esvaziando suas hidrolases ácidas no interior da vesícula, formando uma vesícula digestiva, começando a hidrolisar as proteínas, carboidratos, lipídios e outras substâncias. O que resta da digestão é o corpo residual, que é excretado por exocitose. Fig. 9: Digestão das vesículas pinocítica e fagocítica pelos lisossomas TRANSPORTES ATRAVÉS DAS MEMBRANAS Vários tipos de mecanismo são responsáveis pelo transporte de substâncias através das membranas. As substâncias podem ser transportadas a favor de um gradiente eletroquímico (passivo) ou contra um gradiente eletroquímico (ativo). O transporte a favor do gradiente não necessita da entrada de energia metabólica. O transporte contra o gradiente (ativo) pode ser distinguido por ser primário, onde há necessidade de entrada direta de energia metabólica ou secundário, onde há a utilização indireta da energia metabólica. Outras diferenças se dão pela presença ou não de proteína carreadora. Fig. 10: Movimentos passivos e ativos PROCESSOS PASSIVOS Os mecanismos de transporte passivo não necessitam de energia adicional sob a forma de ATP. Incluem a difusão, a difusão facilitada, a osmose e a filtração. São afetados por vários fatores: - a concentração das moléculas do soluto e do solvente; - temperatura: a taxa de movimento aumenta com o aumento da temperatura - pressão exercida pela gravidade e por outras forças. • DIFUSÃO: é o mecanismo de transporte mais comum e é definida como o movimento de uma substância de uma área de alta concentração para outra de baixa concentração. Ocorre movimento das moléculas até que haja equilíbrio das concentrações e as moléculas estejam igualmente distribuídas. Os movimentos envolvem apenas a energia cinética de moléculas individuais. Todas as moléculas e íons nos líquidos corporais, incluindo as moléculas de água e as substâncias nela dissolvidas, estão em constante movimentação, com cada partícula seguindo seu próprio caminho. A movimentação dessas partículas é denominada “calor” – quanto maior a movimentação – maior a temperatura, e a movimentação nunca cessa, exceto na temperatura de zero absoluto. Ocorre a difusão devido ao movimento térmico aleatório de átomos e moléculas, também denominado movimento browniano. Eventualmente, a difusão resulta na distribuição uniforme dos átomos e moléculas. Fig.11: Um tablete é colocado no recipiente 1. Após algum tempo, ele se dissolve e se espalha de maneira uniforme no recipiente 3. Fig. 12: O O2 se difunde do pulmão (alvéolos) para o sangue e o CO2 se difunde do sangue para os alvéolos. • Difusão Simples: Na difusão simples o movimento das moléculas ou íons ocorre através da abertura da membrana, ou através de espaços intermoleculares, sem necessidade de proteínas transportadoras na membrana. A velocidade de difusão é determinada: - pela quantidade de substância disponível; - velocidade do movimento cinético; e - pelos tamanhos das aberturas da membrana celular. Pode ocorrer por dois caminhos: (1) através dos interstícios da bicamada lipídica, especialmente se a substância difusora é lipossolúvel;e, (2) através dos canais aquosos, que transportam, através de toda a espessura, algumas das grandes proteínas transportadoras como está apresentado na figura 13. ¾ Difusão das substâncias lipossolúveis através da bicamada lipídica: Um dos fatores que determina a rapidez com que uma substância se difunde através da membrana é a lipossolubilidade da substância. O oxigênio, dióxido de carbono, nitrogênio e álcoois possuem lipossolubilidade alta, podendo dissolver-se diretamente pela bicamada lipídica e difundirem-se através da membrana plasmática. ¾ Difusão da água e outras moléculas insolúveis nos lipídios através dos canais protéicos: apesar de insolúvel nos lipídios da membrana, a água atravessa prontamente a totalidade da bicamada lipídica da membrana através dos canais existentes nas moléculas protéicas. Outras moléculas insolúveis em lipídios também conseguem atravessar a membrana através dos canais dos poros protéicos, da mesma maneira que as moléculas de água, desde que sejam hidrossolúveis e suficientemente pequenas. Fig. 13: Transportes através da membrana 9 Difusão através dos canais protéicos e as “comportas” desses canais: admite-se que os canais protéicos representem vias aquosas através dos interstícios das moléculas protéicas. As substâncias podem difundir-se por difusão simples, diretamente, através dos canais, de um lado a outro da membrana. Os canais se distinguem por duas características importantes: (1) com freqüência, são seletivamente permeáveis a certas substâncias: isso resulta das características do próprio canal (diâmetro, formato e natureza das cargas elétricas nas superfícies internas). Os canais de sódio medem aproximadamente 0,3 por 0,5 nm e as superfícies internas têm cargas fortemente negativas, como mostra a figura 14. Essas cargas negativas atraem os pequenos íons desidratados de sódio para dentro desses canais, conduzindo- os para longe de suas moléculas hidratantes de água. Uma vez dentro do canal, os íons se difundem em qualquer direção, em conformidade com as leis da difusão. Assim, o canal de sódio é especificamente seletivo para a passagem dos íons sódio. Os canais de potássio são ligeiramente menores, medindo 0,3 por 0,3 nm, porém não estão carregados negativamente. Não há qualquer força atraindo os íons para o interior dos canais, sendo assim os íons não são afastados das moléculas de água que irão hidratá-las. A forma hidratada dos íons potássio são menores que a do sódio, pois os íons sódios atraem muito mais as moléculas de água que o potássio. Assim, os íons potássio hidratados passam mais facilmente através desse pequeno canal, enquanto a maior parte dos íons sódio é rejeitada. (2) Muitos dos canais podem ser abertos ou fechados por comportas: as comportas proporcionam meio para controlar a permeabilidade iônica dos canais. Admite-se que as comportas são prolongamentos das moléculas de proteínas transportadoras, que podem ocluir a abertura do canal ou ser afastadas dessa abertura por modificação conformacional. Existem comportas por voltagem e comportas químicas: As comportas por voltagem respondem ao potencial elétrico através da membrana celular. Os canais de sódio possuem cargas negativas no interior da membrana e isso mantém fechadas as comportas externas para o sódio e quando o interior perde a carga negativa, as comportas abrem-se bruscamente e permitem a passagem de enormes quantidades de sódio através dos poros. (Exemplo: potenciais de ação dos nervos responsáveis pelos sinais neurais). As comportas para o potássio estão localizadas nas extremidades intracelulares dos canais de potássio e abrem-se quando o interior da membrana adquire carga positiva. A abertura é responsável, em parte, pelo término dos potenciais de ação. As comportas químicas são abertas pela ligação de substância química com a proteína, que acarreta alteração conformacional na molécula protéica e irá abrir ou fechar a comporta (Exemplo: efeito da acetilcolina sobre o canal de acetilcolina, medindo 0,65nm de diâmetro, que se abre permitindo a passagem de todas as moléculas sem carga e íons positivos com diâmetro inferior a 0,65nm). Fig.14: Transporte de íons sódio e potássio através dos canais protéicos e alterações conformacionais nas moléculas de proteínas. • Difusão facilitada: é um caso especial de difusão onde as substâncias (moléculas grandes e insolúveis em lipídios) movem-se através das membranas plasmáticas com a assistência de proteínas integrais que funcionam como transportadoras (carreadoras). A maioria dos açúcares, como a glicose, é transportada via difusão facilitada. - A glicose liga-se ao transportador no exterior da membrana; - Então, o transportador muda de forma; - A glicose atravessa a membrana e é liberada no interior da célula. Não ocorre gasto de energia, as substâncias se movimentam da região de maior concentração para a de menor concentração. Necessita de uma interação com uma proteína transportadora das moléculas ou íons. A proteína transportadora facilita a passagem das moléculas, ou dos íons, através da membrana por unir-se quimicamente e lançá-los, assim, através da membrana. A difusão facilitada difere da difusão simples através de um canal aberto da seguinte maneira: apesar da velocidade de difusão aumentar com o aumento da quantidade de substância a ser difundida, na difusão facilitada há uma velocidade máxima (Vmáx), quando a concentração da substância aumenta, enquanto na difusão simples a velocidade continua aumentando. Fig. 15: Difusão facilitada A velocidade da difusão facilitada é limitada, como é mostrado na figura 16. A molécula a ser transportada penetra no canal e é fixada. Então, ocorre alteração conformacional na proteína carreadora, de forma que o canal se abre do lado oposto da membrana. Como a força fixadora do receptor é fraca, o movimento térmico da molécula fixada faz com que seja solta e liberada no lado oposto. A velocidade com que a molécula pode ser transportada nunca pode ser maior que a velocidade com que a molécula protéica carreadora pode sofrer alteração conformacional, em ambas as direções. Fig. 16: Mecanismo postulado para a difusão facilitada • Osmose: é o movimento global de moléculas de água através de uma membrana seletivamente permeável. A osmose refere-se apenas à água. As moléculas de água atravessam os poros nas proteínas integrais da membrana plasmática. Ocorre devido a diferenças na concentração de solutos. As diferenças de concentração de solutos impermeáveis estabelecem diferenças de pressão osmótica, e essa diferença faz a água fluir por osmose. A osmose da água não é a difusão de água, ocorre devido à diferença de pressão, enquanto a difusão ocorre devido à diferença de concentração. ¾ Pressão osmótica: é a força necessária para encerrar a osmose, ou seja, para interromper o fluxo de água através da membrana. • Filtração: ocorre em resposta às diferenças de pressões. Como exemplo, uma seringa cheia de água, onde um êmbolo empurra a água para fora da agulha, por uma diferença de pressão. Se tiverem orifícios na seringa, a água esguicha pelos lados e pela ponta da agulha. O movimento dos fluidos através da parede dos capilares é um exemplo. O capilar tem a sua parede formada por uma delgada camada de células que apresenta poros (orifícios) e a pressão nos capilares empurra, através dos poros, água e substâncias dissolvidas do sangue para os espaços dos tecidos. Fig. 17: Mecanismo da filtração. PROCESSOS ATIVOS Quando as células participam ativamente no movimento de substâncias através da membrana, com gasto energético pela quebra de ATP. Por vezes, é necessária grande concentração de substância no líquido intracelular, apesar de o líquido extracelularconter apenas pequenas concentrações, como os íons potássio. Inversamente, é importante manter as concentrações de outros íons muito baixas dentro das células, mesmo quando suas concentrações no líquido extracelular são muito altas, como para os íons sódio. Porém, isso não poderia ocorrer por difusão, pois acabaria igualando as concentrações dos dois lados da membrana. Ao contrário, alguma fonte de energia terá que acarretar a movimentação excessiva de íons sódio para o exterior da célula e íons potássio para seu interior. E esse processo é denominado movimento ativo. As diferentes substâncias que são transportadas ativamente através de, pelo menos, algumas membranas celulares incluem os íons sódio, os íons potássio, os íons cálcio, os íons ferro, os íons hidrogênio, os íons cloreto, os íons iodeto, os íons urato, vários açúcares diferentes e a maioria dos aminoácidos. É dividido em dois tipos, de acordo com a fonte energética usada para acionar o transporte. • Transporte Ativo Primário: um ou mais solutos se movem contra um gradiente eletroquímico, sendo que a energia deriva, diretamente, do fracionamento do ATP. No processo, o ATP é hidrolisado a adenosina difosfato (ADP) e fosfato inorgânico (Pi), liberando a energia da ligação fosfato terminal de alta energia do ATP. ¾ Na+-K+ ATPase (Bomba Na+-K+): esse processo bombeia os íons Na+ para fora, através da membrana celular e, ao mesmo tempo, bombeia íons potássio para dentro da célula. Essa bomba é responsável pela manutenção das diferenças de concentrações do sódio e do potássio através da membrana celular, assim como pelo estabelecimento da voltagem elétrica negativa dentro das células. E constitui, também, a base da função neural, para transmitir os sinais neurais pelo sistema nervoso. Essa bomba é denominada eletrogênica, pois maior número de cargas positivas é bombeado para fora do que para dentro da fibra (3 Na+ para o exterior e 2 K2+ para o interior). Deixando um déficit real de íons positios no interior, e produzindo carga negativa no interior da membrana celular. A proteína carreadora é um complexo de duas proteínas globulares separadas, uma maior denominada subunidade α e outra menor, denominada subunidade β. A função da subunidade menor é desconhecida além da de ancorar o complexo protéico na membrana lipídica, e a maior tem três características específicas: - Tem três locais receptores para fixação de íons sódio na porção da proteína que se projeta para o interior da célula; - tem dois locais receptores para os íons potássio no exterior; - a porção interna dessa proteína, perto dos locais da fixação do sódio, tem atividade ATPase. A função ATPase se dá quando os íons estão fixados. A seguir ocorre clivagem de uma molécula de ATP e a energia liberada provoca alteração conformacional da molécula da proteína carreadora, com a saída dos três íons sódio e entrada dos dois íons potássio. Fig. 17: Mecanismo da Bomba Sódio-Potássio ¾ Ca2+ ATPase (Bomba de Ca2+): os íons cálcio são mantidos, normalmente, em concentração extremamente baixa no citosol intracelular de praticamente todas as células do corpo, com concentrações muito menores que o líquido extracelular. Isso ocorre graças a duas bombas de cálcio, localizadas na membrana celular (que bombeia cálcio para fora da célula) e a outra bombeia cálcio para dentro das organelas vesiculares, RE, células musculares e mitocôndrias. Em cada uma dessas circunstâncias, a proteína carreadora penetra na membrana e funciona como ATPase, tendo a mesma capacidade e clivar o ATP demonstrada pela ATPase da proteína carreadora do sódio. A diferença é que essa proteína tem local de fixação altamente específico para o cálcio e não para o sódio. ¾ Transporte ativo dos íons hidrogênio: há dois importantes locais de transporte para os íons hidrogênio, nas células gástricas do estômago e nos túbulos distais terminais e nos ductos coletores corticais dos rins. Nas células gástricas, as células parietais, localizadas profundamente, têm o mecanismo ativo primário mais potente para o transporte de H+ de qualquer parte do corpo. Essa é a base para secreção de ácido clorídrico. Nos túbulos renais, existem as células intercaladas especiais nos túbulos terminais e nos ductos coletores corticais que também transportam os íons H+. Esses íons são secretados do sangue para a urina, com a finalidade de controlar a concentração hidrogeniônica nos líquidos corporais. • Transporte ativo secundário: É aquele no qual é acoplado o transporte de dois ou mais solutos. Um dos solutos, geralmente, é o sódio, movendo-se de acordo com seu gradiente eletroquímico e o outro se move contra o gradiente. O movimento do sódio fornece a energia para o movimento dos outros solutos, ou seja, quando os íons sódio são transportados para fora das células por transporte ativo primário, em geral instala-se um grande gradiente de concentração do sódio (concentração muito alta fora da célula e baixíssima em seu interior). Esse gradiente representa um depósito de energia, pois o excesso de sódio fora da membrana celular está sempre tentando difundir-se para o interior. Em condições apropriadas essa energia de difusão do sódio pode arrastar, literalmente, outras substâncias, juntamente com o sódio, através da membrana. ¾ Co-transporte: é uma forma de transporte na qual todos os solutos são transportados no mesmo sentido através da membrana celular. O sódio move-se para dentro da célula através do carreador de acordo com o seu gradiente eletroquímico; os solutos co-transportados com o Na+ se movem também para dentro da célula. O co-transporte está envolvido em vários processos fisiológicos críticos, particularmente no epitélio absortivo do intestino delgado e do túbulo renal. Por exemplo: os co-transportes Na+-glicose e Na+-aminoácidos (estão presentes nas membranas luminais das células epiteliais tanto do intestino delgado quanto no túbulo proximal do rim). Um outro exemplo é o co-transporte Na+-K+-2Cl-, que está presente na membrana luminal das células epiteliais do ramo ascendente espesso (alça de Henle), no rim. Fig. 18: Mecanismo do co-transporte Na+-glicose ¾ Contra-transporte: transporte no qual os solutos são transportados em sentidos opostos através da membrana. O Na+ é transportado para dentro da célula pelo carreador, a favor do gradiente eletroquímico e os solutos que são contra-transportados movem-se para fora da célula. Os íons sódio fixam-se nas proteínas carreadoras, onde essa projeta-se através da superfície externa da membrana, enquanto a substância a ser contra-transportada fixa-se à projeção interior da proteína carreadora. Depois de fixados há alteração conformacional, com a energia liberada pelo íon sódio deslocando-se para o interior e fazendo com que a outra substância se movimente para o exterior. O contra-transporte é ilustrado pela troca Ca2+-Na+ e Na+-H+. Cada processo utiliza o gradiente de Na+ estabelecido pela Na+- K+-ATPase como fonte de energia. Fig. 19: Mecanismo de Contratransporte Ca2+-Na+ Fig. 20: Resumo dos Mecanismos de transporte
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