aula 4 Bio Cel e Mol

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Biologia Celular e Molecular
Janaína Soares
AULA 4
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Transporte através da membrana
Como a célula delimita o meio intra e extracelular, é necessário o transporte e a comunicação com o meio.
Os transportes podem ou não envolver gasto de energia, classificados como ativo ou passivo. 
Exemplos:
de transporte passivo: as difusões simples e facilitada. 
transportes ativos: as bombas de íons.
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Transporte através da membrana
Os transportadores formam um grupo de proteínas integrais, que movem substâncias para dentro ou para fora da célula. 
Difusão facilitada por canais iônicos: proteínas integrais permitindo a passagem de íons. Ex. Na+, K+, Cl- e Ca2+.
B,C e D. Difusão facilitada por meio de proteínas carreadoras: carboidratos e aa atravessam a membrana ligados através de uma proteína da membrana. 
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E e F Transporte por meio de ATPases transportadoras: íons transportados através das membranas, impulsionados pela energia proveniente da hidrólise do ATP (bombas iônicas). Moléculas maiores (fármacos), também podem ser transportadas por proteínas integrais.
G, H e I. Transporte ativo Secundário: 
movimento de solutos contra um gradiente de concentração ou de potencial elétrico, não está acoplado a Ē metabólica. A Ē é derivada do acoplamento ao movimento de outro soluto.
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Transporte através da membrana
As substâncias podem ser levadas para dentro ou expelidas da célula, por meio de vesículas revestidas por membranas: 
exocitose e endocitose 
(A e B).
C.Transcitose: células dos capilares e do intestino, movem material através de um processo integrado endocitose e exocitose.
D.Osmose 
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Transporte através das Membranas Celulares
- A membrana Plasmática é uma barreira semipermeável
- Fluidez x Permeabilidade
Estudo de permeabilidade utilizando membranas artificiais
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“Seleção” das moléculas que atravessam a bicamada lipídica está relacionada com a natureza da bicamada lipídica:
Tamanho
Polaridade
Carga: camada de hidratação
Concentração. Ex.: trocas gasosas
A permeabilidade relativa de uma bicamada lipídica sintética a diferentes classes de moléculas. 
Quanto menor a molécula e, mais importante, quanto menos fortemente ela associa-se com a água, com mais rapidez a molécula difunde-se através da bicamada
DIFUSÃO SIMPLES
Transporte através das Membranas Celulares
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OSMOSE
Fluxo passivo de água entre dois compartimentos. Ou seja, a água se comporta como SOLUTO.
Água: solvente universal
0,5 M 
SACAROSE
0,25 M 
SACAROSE
Crenada
Normal
Inchada
Lisada
Transporte através das Membranas Celulares
Resposta de uma célula vermelha do sangue humano a mudanças na osmolaridade do fluido extracelular.
A célula incha ou murcha com o movimento da água para o interior ou para o exterior da célula, a favor do seu gradiente de concentração.
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OSMOSE
Transporte através das Membranas Celulares
Vacúolo contrátil evita a lise em protozoários
Osmose em células vegetais
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Proteínas Transportadoras
Especializadas em mediar o transporte de um tipo ou classe restrita de soluto (aminoácidos, açúcares, íons, etc...)
Proteínas transmembrana do tipo Multipasso
Multipasso
Transporte através das Membranas Celulares
Podem ser de dois tipos:
1) Canais: formam um poro hidrofílico através da bicamada lipídica. Interagem fracamente com o soluto, em geral íons inorgânicos.
2) Proteínas carreadoras ou permeases: ligam ao soluto a ser transportado de forma específica, mudam de conformação e permitem a sua passagem através da membrana. 
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Transporte através das Membranas Celulares
Proteínas Transportadoras
Proteínas carreadoras e canais.
 (A) Uma proteína carreadora alterna entre duas conformações, de tal forma que o sítio de ligação ao soluto é seqüencialmente acessível em um lado da bicamada e então no outro. 
(B) Em contraste, um canal forma um poro preenchido por água através da bicamada para poder difundir os solutos específicos.
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Transporte através das Membranas Celulares
Canais iônicos: podem alternar entre as conformações aberta e fechada. Ex.: canal de K+
O canal forma um poro hidrofílico através da bicamada lipídica somente no estado conformacional “aberto”. Os grupos polares parecem revestir a parede do poro, enquanto as cadeias laterais de aminoácidos hidrofóbicos interagem com a bicamada lipídica. O poro afunila para dimensões atômicas em uma região (filtro de seletividade) em que a seletividade iônica do canal é grandemente determinada. 
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A estrutura de um canal de potássio bacteriano
Somente duas das quatro subunidades idênticas são mostradas. A partir do lado citosólico, o poro abre-se para um vestíbulo no meio da membrana. Esta estrutura facilita o transporte, permitindo que os íons K+ permaneçam hidratados, mesmo quando estão atravessando a membrana. O estreito filtro de seletividade liga o vestíbulo ao exterior celular. Os oxigênios da carbonila revestem as paredes do filtro de seletividade e formam sítios temporários de ligação para desidratar os íons K+.
Dois íons K+ ocupam sítios no filtro de seletividade, enquanto um terceiro íon K+ está localizado no centro do vestíbulo, onde está estabilizado por interações elétricas
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Transporte através das Membranas Celulares
Canais de água ou Aquaporinas: proteínas de membrana específicas para a passagem de moléculas de água. Estão ausentes em ovócitos de peixes e anfíbios e presentes em muitos tipos celulares. Em túbulos renais, p. ex., parte da água perdida durante a filtração do sangue é reabsorvida, diminuindo o volume da urina.
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Transporte através das Membranas Celulares
2) Proteínas carreadoras ou permeases: podem ser comparadas às enzimas, pois ligam-se a um soluto específico e sofrem mudanças de conformação até liberar o soluto do outro lado da membrana e reiniciar o processo. 
No entanto, não alteram o soluto que é transportado!
 Ex.: Transportador de glicose GLUT1.
Modelo de mecanismo de transporte uniporte pela GLUT1. Nos momentos em que hé maior necessidade de glicose, como em situações de esforço muscular, a célula aumenta o número de transportadores na sua membrana.
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- Proteínas carreadoras podem atuar de 3 formas:
Transporte através das Membranas Celulares
1) Uniporte: quando carreiam apenas uma espécie química. Ex.: GLUT1, a concentração de glicose intracelular é geralmente menor que a extracelular.
2) Simporte: quando duas espécies químicas são simultaneamente transportadas e no mesmo sentido. Ex.: Simporte de Na+ e Glicose em células epiteliais do intestino e do rim. 
Modelo proposto para o transportador de 2Na+/Glicose
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Transporte através das Membranas Celulares
3) Antiporte: quando 2 moléculas diferentes são transportadas em sentidos opostos. 
Ex.: antiporte Cl-/HCO3- , Na+/H+ e a Na+,K+-ATPase.
E ainda... Co-transporte: Ex. Co-transportador Na+/HCO3-/Cl-
Efeito do pH intracelular sobre a atividade das proteínas de transporte de membrana envolvidas na regulação do pH citosólico em células de mamíferos.
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Transporte através das Membranas Celulares
O transporte de moléculas e íons através da membrana pode ou não requerer dispêndio de energia por parte da célula. 
Transporte passivo ou difusão facilitada: onde canais e muitas proteínas carreadoras permitem a passagem de soluto sem dispêndio de energia.
2) Transporte ativo: é feito por proteínas carreadores. Se dá sempre contra o gradiente de concentração do soluto a ser transportado e requer gasto energético (ATP).
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O transporte passivo a favor de um gradiente eletroquímico ocorre espontaneamente ou por difusão simples através de canais e carreadores passivos. Em contraste o transporte ativo requer um aporte de energia metabólica e é sempre mediado por carreadores que captam energia metabólica para bombear soluto contra seu gradiente
eletroquímico.
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Diferenças entre a Difusão Simples e a Difusão Facilitada
A) Velocidade de deslocamento
Difusão facilitada >>>>>>> Osmose ou Difusão Simples
B) Saturação pelo soluto
Transporte através das Membranas Celulares
Transporte passivo ou difusão facilitada
Cinética da difusão simples e da difusão mediada por carreador. Enquanto a velocidade da primeira é sempre proporcional à concentração do soluto, a velocidade da última atinge um máximo (Vmáx) quando a proteína está saturada.
A concentração do soluto, quando o transporte está na metade do seu valor máximo, aproxima-se à constante de ligação (Km) do carreador para o soluto e é análoga ao Km de uma enzima para o seu substrato
Difusão passiva da glicose
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C) Seletividade
Transporte através das Membranas Celulares
Transporte passivo ou difusão facilitada
D) Sensibilidade a inibidores competitivos e não-competitivos
Algumas particularidades sobre os canais iônicos
Funcionam basicamente como poros hidrofílicos
A abertura pode ser promovida por dois mecanismos:
A) Alteração de voltagem (polaridade) da membrana
B) Substâncias químicas específicas. Ex. Neurotransmissores
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Ex.: plantas insetívoras
Membrana despolarizada
Transporte através das Membranas Celulares
Algumas particularidades sobre os canais iônicos
Controlado 
por voltagem
Controlado 
por ligante 
(ligante extracelular)
Controlado 
por ligante 
(ligante inracelular)
Controlado 
mecanicamente
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Transporte através das Membranas Celulares
A maioria dos constituintes celulares é carregada negativamente
Existe cerca de 20 mM de Mg2+ nas células
Existe 1-2 mM Ca2+ nas células
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Quase todas as membranas celulares apresentam uma diferença de potencial elétrico (gradiente de voltagem) através delas, com o interior geralmente negativo em relação ao meio extracelular. 
Chamamos isso de Potencial de Membrana
Transporte através das Membranas Celulares
O QUE ISSO TEM A VER COM OS CANAIS IÔNICOS???
Gradiente eletroquímico
sem potencial 
de membrana
Gradiente eletroquímico
com potencial 
de membrana 
Interior negativo
Gradiente eletroquímico
com potencial 
de membrana 
Interior positivo
Um gradiente eletroquímico
combina o potencial de membrana
e o gradiente de concentração, 
os quais podem atuar aditivamente 
para aumentar a força motriz 
sobre um íon através da membrana
 ou podem atuar um contra o outro
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Transporte através das Membranas Celulares
A diferença de potencial através da membrana plasmática de uma célula animal em repouso (Potencial de repouso), ou seja, na qual não existe fluxo líquido de íons, varia entre -20 mV e -200 mV.
A base iônica de um potencial de membrana. Um pequeno fluxo de íons pode causar uma grande mudança no potencial de membrana
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Transporte através das Membranas Celulares
Considerando-se um potencial de membrana médio igual a 70 mV (com o interior mais negativo que o exterior) e que a membrana plasmática tem cerca de 3,5 nm de espessura, então
O gradiente de voltagem é igual a 0,07 V x 3,5 x 107 cm... Ou seja:
200.000 V por centímetro
Para se ter uma idéia, os fios de alta tensão da energia elétrica utilizam gradientes de cerca de 200.000 V por Km!
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Transporte através das Membranas Celulares
Modelo experimental para geração de um potencial de voltagem transmembrana.
O principal movimento iônico através da membrana citoplasmática é o de K+ de dentro para fora, deixando um excesso de carga negativa no interior e criando um excesso de carga positiva no exterior.
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Transporte através das Membranas Celulares
Dizemos que a entrada de Na+ nas células de mamíferos tem uma G (energia livre) negativa, pois as duas forças (o gradiente elétrico e o gradiente de concentração) atuam normalmente na mesma direção.
Na+
K+
Na+
K+
O principal movimento iônico através da membrana citoplasmática é o de K+ de dentro para fora, deixando um excesso de carga negativa no interior e criando um excesso de carga positiva no exterior.
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Transporte através das Membranas Celulares
2) Transporte ativo
A manutenção da distribuição iônica assimétrica nos dois lados da membrana plasmática é feita com dispêndio de energia. Se apenas os canais iônicos promovessem o transporte de íons, em pouco tempo haveria uma distribuição uniforme de cargas dentro e fora da célula e a diferença de cargas entre o lado interno e o externo da membrana celular seria zero.
Assim, em contraposição ao transporte passivo, o Transporte ativo:
Dá-se sempre contra o gradiente de concentração do soluto
Requer gasto energético (ATP) por parte da célula.
É feito apenas por proteínas carreadoras.
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Transporte através das Membranas Celulares
Quando um determinado estímulo leva à abertura de canais iônicos para Na+ e K+, a rápida entrada no citoplasma de uma grande quantidade de íons Na+ e a evasão de uma quantidade também considerável de íons K+ provocam a DESPOLARIZAÇÃO da membrana. No balanço final, o interior se torna positivo em relação ao meio externo.
O papel do transporte ativo será fazer com que a célula retorne ao seu estado de repouso, ou seja, refazer a distribuição dos íons, mesmo que isso signifique deslocar íons do compartimento onde eles estão em menor concentração para onde sua concentração seja maior. Isso é feito pela Bomba de Na+ e K+ ou simplesmente Na+,K+-ATPase.
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Transporte através das Membranas Celulares
A Bomba de Na+ e K+ ainda é importante para a manutenção do volume celular. Muitas células tratadas com ouabaína, um inibidor específico da enzima, incham e rompem. 
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A ouabaína (estrofantidina) é um cardiotônico que consta de um açúcar e um esteróide unidos por uma ligação glicosídica. Comercialmente, está disponível como seus derivados digoxina e digitoxina 
Transporte através das Membranas Celulares
Na+,K+-ATPase
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Transporte através das Membranas Celulares
Na+,K+-ATPase
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Ciclo catalítico da Na+,K+-ATPase. Principais conformações da subunidade catalítica da Na+,K+-ATPase, com a orientação dos sítios de ligação aos cátions, bem como os sítios de ação da ouabaína. 
Transporte através das Membranas Celulares
Na+,K+-ATPase
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Transporte através das Membranas Celulares
Na+,K+-ATPase
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Transporte através das Membranas Celulares
A ação da Bomba de Na+,K+ faz com que o gradiente de Na+ seja sempre favorável à sua entrada na célula, juntamente com a glicose.
Transporte ativo secundário.
Na+,K+-ATPase
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Transporte através das Membranas Celulares
Outros tipos de transporte ativo
Ca2+-ATPase no retículo endoplasmático ou na membrana plasmática (PMCA). 
No retículo sarcoplasmático (músculos), é chamada SERCA.
Estruturas cristalizadas da Ca2+-ATPase de retículo sarcoplasmático (a) no estado E1 (ligada a Ca2+; Toyoshima et al., 2000) e (b) no estado E2 (inibida especificamente por thapsigargina; Toyoshima et al., 2002). 
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H+-ATPase em fungos e bactérias
Transporte através das Membranas Celulares
Outros tipos de transporte ativo
Proteínas de multirresistência a drogas (MDR), que fazem parte da família dos transportadores ABC (ATP Binding Cassete). Atuam no transporte tanto de íons quanto de pequenas moléculas, participando de processos de detoxificação de várias drogas de natureza lipídica. Ex. Plasmodium
F-ATPases
 também conhecidas como ATP sintases, porque geralmente atuam no sentido reverso, ou seja, sintetizando ATP. São encontradas na membrana plasmática de bactérias, na membrana interna de mitocôndrias e na membrana tilacóide de cloroplastos. 
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Potencial de Ação
Um estímulo elétrico desencadeia uma explosão de atividade elétrica que é rapidamente propagada ao longo da membrana plasmática e é mantida por auto-amplificação. Essa “explosão” nada mais é do que uma onda de excitação conhecida como potencial de ação ou impulso nervoso.
É uma conseqüência direta da ação dos canais de cátions controlados por voltagem (voltage-gated ion channels).
Ocorre em células
excitáveis: 
neurônios, células musculares e endócrinas, célula-ovo, eletrócitos...
Transporte através das Membranas Celulares
A despolarização provocada pela abertura de um canal deve ser suficiente
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Potencial de Ação
Transporte através das Membranas Celulares
Quando o potencial de membrana é despolarizado, 
o canal se abre e começa a conduzir íons.
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Transporte através das Membranas Celulares
Junção neuromuscular – sinapse especializada entre um neurônio e uma célula musculoesquelética
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VÍDEOS