Transporte em biomembranas

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Transporte através de 
biomembranas
• Permeabilidade seletiva
• Gradiente de concentração
• Gradiente eletroquímico
• Diferentes tipos de transporte
•ATPases
Profa.: Jennifer Lowe
Composição e Estrutura Molecular das Membranas Biológicas
Modelo do Mosaico Fluido
Singer e Nicolson (1972)
Primeira consideração: a membrana é permeável ao soluto em questão?
Segunda consideração: concentração do soluto em questão
Difusão simples
Difusão passiva de espécies neutras
Difusão passiva de espécies
carregadas
Tipos de transporte através das membranas biológicas
Transporte passivo Transporte ativo
Classes de Transportadores
•Número de substratos transportados
•Direção na qual é transportado.
Transportador 
de glicose em 
eritrócitos
Trocador cloreto-
bicarbonado em
eritrócitos
Transportador 
de glicose em células
de epitélio intestinal
Transporte Ativo 
Movimento de moléculas através da membrana contra um 
gradiente de concentração ou gradiente eletroquímico.
Primário Secundário
ATPases: P,V e F Na+ e H+
Transporte ativo secundário 
- transportadores acoplados -
Sistemas de transporte em bactérias
(A) Schematic representation of the major classes of transport systems in the cytoplasmic and outer membranes of Gram-
negative bacteria. Transports involved in import (left and center) or export (right) of substrates (S) is shown. P indicates 
phosphorylation of sugars by the phosphoenolpyruvate-dependent phosphotransferase system. (B) The extracellular domain 
of the mammalian Ca 2+ sensor is proposed to be structurally similar to receptors of periplasmic permeases.
Top: active and passive transport systems across plasma membranes of higher vertebrates. Bottom left: the synaptic 
vesicle amine transporter SVAT/RatMAT, which is coupled to the countertransport of H + . Bottom right: transport 
systems of the mitochondrial inner and outer membranes. The mitochondrial porins have b-barrel structures similar to 
that of the porins of the outer membrane of Gram-negative bacteria. MCF, mitochondrial carrier family (e.g. the 
malate/ a-ketoglutarate exchanger or the ATP/ADP carrier).
Sistemas de transporte em vertebrados
Transporte de Água
Topologia de uma aquaporina (AQP-1)
Estrutura proposta para o transportador de 
glicose (GLUT1)
Doenças relacionadas a transporte de 
glicose e água
• Diabetes
– Tipo I: níveis glicêmicos altos por causa da 
incapacidade de liberar insulina.
– Insipidus: relativamente rara. Defeito genético 
na AQP-2 que diminui capacidade de 
reabsorver água pelos rins. Excreção de 
grandes volumes de urina muito diluída.
Insulina ativa a captação de glicose através de 
translocação da proteína transportadora de 
glicose 4 (GLUT4) para a membrana da célula 
Transporte de GLUT4 ativado por insulina
Aquaporinas ao longo do néfron
Mecanismo intracelular do ADH para a reabsorção de 
água no néfron distal
InterstícioLúmem
RESUMO DOS TIPOS 
DE TRANSPORTE
Transporte Ativo
• ATPases transportadoras de íons e sua 
função celular.
ATPases
• Proteínas integrais de membrana responsáveis 
por diversos processos biológicos e/ou 
fisiológicos por serem capazes de fornecer a 
energia necessária por elas requeridas.
– Controle do volume celular
– Potencial de repouso e sua recuperação
– Relaxamento muscular
– Balanço do pH intracelular
– Digestão de alimentos
– Transporte vetorial entre dois compartimentos 
celulares contra gradiente de potencial eletroquímico
ATPases transportadoras
• Grande estudo nos últimos 30 anos por 
diversas razões:
– Facilmente classificadas em poucas 
categorias (famílias)
– ATPases transportadoras tem papel relevante 
em doenças humanas
– Estudos de relação estrutura-função
– Prêmio Nobel de química
Molécula de ATP
Ligação fosfo-anidro
ATP
• Usado direta e indiretamente como fonte de 
energia química nos sistemas biológicos. 
• Todos os tipos celulares são impermeáveis ao 
ATP – reciclado dentro da célula.
• Todas as células catalisam o ciclo de síntese e 
hidrólise de ATP.
Importâncias da ATPases na 
Fisiologia Humana
• Manutenção dos potenciais de membrana
• Regulação da composição e volume dos fluidos corporais
• Manutenção dos gradientes eletroquímicos (transporte ativo 
primário e consequentemente o transporte ativo secundário)
– Captação de nutrientes
– Excreção de metabólitos, de substâncias estranhas e/ou tóxicas ao 
organismo
Alterações funcionais de sistemas 
biológicos
• Mutações nos genes
• Doenças genéticas Proteínas
– Não-funcionais
– Parcialmente funcionais
– Falhas no endereçamento de proteínas
– Falhas no enovelamento de proteínas
– Alteração nos processos regulatórios
Classificação das ATPases
• F-ATPases
• P-ATPases
• V-ATPases
• ABC-ATPases 
F-ATPases - ATPsintase
ADP + Pi ATP
H+ H+
H+ H+
Mit.
Citosol.
ADP + PiATP
Once transported inside a tumor cell, 3-BrPA inhibits ATP production by glycolysis by inhibiting mitochondrially bound hexokinase , a metabolic feature of 
many highly malignant tumors, and by inhibiting also ATP production by oxidative phosphorylation.
Geschwind JF, Ko YH, Torbenson MS, Magee C, Pedersen PL. 
Novel therapy for liver cancer: direct intraarterial injection of a potent inhibitor of ATP production.
Cancer Res. 2002 Jul 15;62(14):3909-13. 
3-Bromopyruvate
Biochem Biophys Res Commun. 2004 Nov 5;324(1):269-75. 
Advanced Cancers: eradication in all cases using 3-
bromopyruvate therapy to deplete ATP.
Ko YH, Smith BL, Wang Y, Pomper MG, Rini DA, Torbenson 
MS, Hullihen J, Pedersen PL. 
Complete regression of an advanced 
abdominal tumor (HCC) after 3-BrPA 
Therapy. (A) Advanced HCC in “Two Dottie.” 
(B) Human equivalent. (C) Different 
treatment stages. (D) Tumor histopathology. 
P-ATPases
• P1: ATPases de metais pesados
– Cd2+-ATPase 
– Cu+-ATPase
– Hg2+-ATPase
– Zn2+-ATPase
• P2: ATPases clássicas
– Na+,K+-ATPase
– Ca2+-ATPase (PMCA e SERCA)
– H+,K+-ATPase
• P3: ATPases bacterianas
– K+-ATPases
Lutsenko e Kaplan, 1995
Biochemistry 34(48):15607-13
P-ATPases
Na+,K+-ATPase
Bomba eletrogênica - 3Na+ para fora da célula 
e 2K+ para dentro da célula. Jens Skou, 1957
Na+,K+-ATPase
• Doenças humanas relacionadas: 
• Doença do rim policístico – Mutação do gene PKD1 
promove alteração da localização da Na+,K+-ATPase. Assim 
há formação de cistos difusos, incontáveis e atingem os dois 
rins. É responsável por 10% dos casos de insuficiência renal 
terminal. Manifesta-se geralmente por cistos renais na 3ª - 4ª 
década de vida, podendo ser detectada antes dos 20 anos.
P-ATPases
Ca2+-ATPase
SERCA - Única ATPase 
cristalizada transporta 2Ca2+
para dentro do
retículo.
Toyoshima et al., 2000
Ca2+-ATPase
• Função
• Manter os níveis Ca2+ intracelulares baixos
• Responsável pela formação e manutenção dos 
estoques intracelulares de Ca2+
Ca2+-ATPase
• Doenças relacionadas: 
• Doença de Brody – doença genética rara de origem muscular, devido a deficiência 
da captação de Ca2+ no retículo sarcoplasmático. Pacientes sofrem de intenso 
relaxamento muscular. Mutação no gene ATP2A1 altera a expressão de SERCA1, a 
isoforma da Ca2+-ATPase de músculo estriado. 
Berchtold et al., 2000. Physiological Reviews, 80(3): 1215-1265
• Doença de Darier – doença genética rara cutânea, devido a mutação no gene 
ATP2A2, que codifica a isoforma SERCA2. Doença caracterizada por dermatoses e 
acantólise (diminuição ou perda da união entre as células). Importância da sinalização 
do Ca2+ na homeostasia da epiderme.
HovnanianA. 2004 Biochem Biophys Res Commun. 322(4):1237-44.
DOENÇAS DE MENKES E WILSON
Doença genética causada por mutações nas diferentes Cu(I)-ATPases
DEFICIÊNCIA DE COBRE
Kinky hair
Hipotonia
Má formação de 
tecido conectivo
ACUMÚLO DE COBRE
Anéis de Kayser-Fleischer
Hepatotoxicidade
Outras P-ATPases:
• H+,K+-ATPase
• H+-ATPase
• ATPases de Metais Pesados
– Cd2+
– Hg2+
– Pb2+
H+,K+-ATPase gástrica
Omeprazol
• Inibidor específico da bomba de prótons gástrica, 
responsável pela produção de HCl nas células parietais.
• O medicamento Losec é o mais vendido do mundo. 
• US$ 6,3 bilhões, equivalem a quase metade do mercado 
norte-americano de remédios para doenças 
gastrointestinais e do metabolismo. 
V-ATPases
Nishi & Forgac (2002) 
Nature Reviews Molecular
Cell Biology 3; 94-103
Função na membrana plasmática
Papel fisiológico
Transportadora de H+, diminuindo o pH 
de organelas e assim ativando proteases 
e outras enzimas hidrolíticas.
Transportadores do tipo ABC
ABC-ATPases
(ATP Binding Cassete)
CFTR
Transporta íons cloreto em 
diversas células para formar 
muco (pulmão, pâncreas, 
intestino, fígado e etc)
ΔF508
G542X 
G551D 
N1303K 
W1282X 
Não enovela corretamente e é 
degradada rapidamente.
Fibrose Cística
• Ou mucoviscidose afeta principalmente os pulmões e o tubo 
digestivo. Estimam-se que 2,5 milhões de pessoas no Brasil 
possam transmiti-la. 
• É a principal doença diagnosticada pelo teste do pezinho, porque 
é a mais comum entre as genéticas graves da infância. 
• Se manifesta principalmente pela tosse crônica encatarrada, 
pneumonias freqüentes, obstrução intestinal nos primeiros dias 
após o nascimento, baixo peso e altura, fezes volumosas, mal 
digeridas e com restos de alimentos e excesso de gordura. 
• Suor salgado é a característica do paciente (menor reabsorção 
de sódio pelas glândulas). Os portadores também têm uma 
mistura de sintomas respiratórios e gastrointestinais de graus 
variáveis (muco espesso).
Funcionamento de glicoproteína-P