Biofísica - (4) Membranas biológicas

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pedagogica.dcf@fcmscsp.edu.br
Coordenação Pedagógica
Departamento de Ciências Fisiológicas
FCMSCSP
Membranas Biológicas
Prof. Dr. Wagner Montor
(wrm_usp@yahoo.com)
Departamento de Ciências Fisiológicas
Faculdade de Ciências Médicas da Santa Casa de São Paulo
Propriedades das Membranas
- Permitem que o ambiente bioquímico da célula seja diferente do meio.
- Em eucariotos delimitam organelas, permitindo função especializada.
- “Isolam” a célula e determinam as “regras de tráfico” com o meio externo.
- Seletivamente permeáveis (composto específico e direção específico)
- Permitem a conservação de energia
- Comunicação intercelular
- Flexíveis (permitem movimentos e crescimento).
- Auto-selantes (permitem divisão celular, exocitose,... sem vazamentos)
Microscopia eletrônica de corte transversal de um eritrócito corado com 
tetróxido de ósmio
bicamada
membranar
Microscopia Eletrônica da Membrana
tetróxido de ósmio
Interação espontânea entre lipídeos em H2O
arranjo aleatório 
entre moléculas de H2O
moléculas de H2O altamente
organizadas formam “gaiolas” ao 
redor de cadeias hidrofóbicas
grupo 
hidrofóbico
grupo 
hidrofílico
A conformação que “sequestra” os grupos hidrofóbicos se torna 
favorável, por permitir a menor organização da água ao redor
Diferentes tipos de agregação espontânea entre lipídeos
em H2O
micela bicamada lipossoma
a cabeça 
é maior que a 
cadeia lateral
a cabeça e a cadeia 
lateral são do mesmo 
tamanho (cilindro)
cavidade
aquosa
2
proteína 
periférica
proteína integral
(hélice transmembrana
simples)
proteína periférica
(covalentemente ligada
ao lipídeo)
proteína integral
(hélices transmembrana
múltiplas)
interior
exterior
esteróide
cabeça polar
fosfolipídeo
bica
m
ad
a
lipídica
cadeias
oligossacarídicas
de glicoproteínas
glicolipídeo
Membrana Biológica – Mosaico Fluido Fluidez do Mosaico
difusão lateral
não catalisada 
difusão transversa (flip-flop)
não catalisada
difusão transversa
Catalisada por flipase
muito rápida
muito lenta
(dias)
rápida
(segundos)flipase
Diferentes lipídeos entre as monocamadas
interna e externa
Movimento horizontal dos lipídeos na membrana
célula
sonda 
fluorescente
em lipídeos
reação 
com 
sonda
fluorescente
superfície
no microscópio
de fluorescência
laser
intenso
remove sonda
em um ponto
medida da taxa
de volta da 
fluorescência
caminho percorrido por um único lipídeo marcado
iníciofim
Formação de “rafts” (plataformas) –
AFM – Microscopia de Força Atômica
“rafts” enriquecidos em
Esfingolipídeos e colesterol
proteína
prenilada
proteína
duplamente
acilada
interior
exterior
colesterol proteína ligada
a GPI
grupos acila
(palmitoil,
Miristoil) caveolina
interior
exterior
membrana
plasmática
caveola
Dímero de caveolina
(seis grupos acila)
Proporção de proteínas e lipídeos em diferentes membranas
Componentes principais de membranas plasmáticas em vários organismos
Bainha de mielina humana
Fígado de camundongo
Folha de milho
levedura
Paramécio (protista ciliado)
E. coli
Componentes (% por peso)
Proteína Fosfolipídeo Esteróide
tipo
de esteróide outros lipídeos
Observação: Os valores não somam 100% em todos os casos porque há outros componentes diferentes de proteínas, fosfolipídeos
e esteróides; plantas, por exemplo têm altos níveis de fosfolipídeos
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Proporção de lipídeos em diferentes membranas
He
pa
tó
c
ito
de
 
ra
to
 
 
 
 
 
plasmática
mitocondrial
interna
mitocondrial
externa
lisossomal
nuclear
RER
REL
Golgi
Porcentagem de lipídeo na membrana
colesterol
cardiolipina
outros 
esfingolípídeos
fosfatidilcolina
fosfatidiletanolamina
Diferentes ácidos graxos em diferentes células
Lipídeos de membrana obtidos de diferentes regiões da perna de uma 
rena mostraram diferentes composições de ácidos graxos. Próximo das 
patas havia maior composição de ácidos graxos insaturados e perto da 
barriga observou-se maior porcentagem de ácidos graxos saturados. A 
que se deve esta diferença?
Renas são animais de clima frio. A diferença entre 
a região da pata e da barriga é a temperatura. Para 
garantir a fluidez da membrana, que varia com a 
temperatura, diferentes composições de ácidos 
graxos estão presentes nos lipídeos que compõem 
as membranas. Lembre-se que os ácidos graxos 
insaturados, são líquidos a temperatura ambiente e 
não congelam tão facilmente.
Proteínas Periféricas x Proteínas Integrais
proteína
periférica
mudança de pH;
agente quelante;
uréia, ...
detergente
proteína
ligada 
a GPI
proteoglicana
fosfolipase C
Proteína integral
(domínio hidrofóbico
recoberto por detergente)
Disposição de uma proteína integral na membrana
interior exterior
Tipo I
Tipo II
Tipo III
Tipo IV
Tipo V
Tipo VI
carboxi-terminal
exterior
interior
amino-terminal
Ligação de proteínas internas à membrana via ligação covalente
com lipídeos
interior
Grupo palmitoil
Em Cys (ou Ser) interna
Grupo N-miristoil
em Gly amino-terminal
exterior
interior exterior
Grupo farnesil (ou geranilgeranil)
em Cys carboxi-terminal
Âncora GPI
carboxi-terminal
Predomínio de estrutura secundária na região transmembrana
interior
interior
exterior
exterior
amino
terminal
carboxi
terminal
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Proteínas integrais e a comunicação celular
Mutação na subunidade β de integrinas deixa indivíduo susceptível a infecções
(impedimento da migração dos leucócitos para o tecido infectado)
exterior
interior integrina caderina selectina
membrana
plasmática
região 
ligadora do ligante
Domínio
adesivo
domínios tipo 
Imunoglobulina 
Domínio de lectina
(se liga a carboidratos)
Fusão de membranas em diferentes processos
brotamento de vesículas
do complexo de Golgi
exocitose
endocitose
fusão do endossomo
e lisossomo
Infecção viral
fusão de espermatozóide
e óvulo
fusão de 
pequenos vacúolos
(plantas)
separação de duas
membranas plasmáticas
na divisão celular
TRANSPORTE
ATRAVÉS DE
MEMBRANAS
Pequenas moléculas sem carga
= difundem livremente
Grandes moléculas polares e 
íons = necessitam de auxílio
A membrana tem permeabilidade seletiva
membrana celular
TRANSPORTE ATIVO E PASSIVO
TRANSPORTE PASSIVO TRANSPORTE ATIVO
A FAVOR DO
GRADIENTE
(SEM GASTO DE ENERGIA)
CONTRA O
GRADIENTE
(COM GASTO DE ENERGIA)
Tipos de Transportadores
(dependentes de energia ou não)
uniporte simporte antiporte
co-transporte
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Tipos de Transporte
Co
m
o
 
o
s 
c
o
m
po
st
o
s 
po
la
re
s 
e
/o
u
 
c
o
m
 
c
a
rg
a
a
tr
a
v
e
s
sa
m
 
a
 
m
e
m
br
a
n
a
?
DIFUSÃO
SIMPLES
DIFUSÃO
FACILITADA
TRANSPORTE
ATIVO
PRIMÁRIO
TRANSPORTE
ATIVO
SECUNDÁRIO
CANAL IÔNICO
COMPORTA
(LIGANTE/ÍON)
MEDIADO
POR
IONÓFORO
Movimentos do soluto através de membrana semi-permeável
DIFUSÃO SIMPLES
antes do equilíbrio equilíbrio
soluto sem carga
gradiente químico
antes do equilíbrio equilíbrio
soluto carregado
gradiente químico
+
gradiente elétrico
= gradiente eletroquímico
(potencial eletroquímico)
Lei de Fick
(difusão simples)
J1 2 = - P (C2 – C1)
- Espessura da membrana 
- Lipossolubilidade
- Temperatura
- P.M. Substancia difundida
J1 2 é o número de mol que se move através de 1cm2 de membrana
do lado 1 para o lado 2 a cada 1s. C é a concentração do material 
em mol/cm3 de solução. P é a permeabilidade.
A permeabilidade (P, dada em cm/s) depende de:
Cálculo do fluxo efetivo de compostos sem carga elétrica
através da membrana
flu
xo
concentração
A difusão facilitadaé descrita pela equação de Michaelis-Menten (saturável)
(vejam aula de cinética enzimática)
Difusão Facilitada
soluto
hidratado
transportador
e
n
e
rg
ia
 
liv
re
, 
G
difusão simples
sem transportador
difusão
com transportador
∆∆∆∆G 
difusão simples
∆∆∆∆G transporte
um transportador facilita
a travessia de compostos
hidrofílicos através
da membrana hidrofóbica
Difusão Facilitada
Transportador de glicose (GLUT1) dos eritrócitos
D-Glicose
exterior
interior
A interação da glicose com o receptor promove alterações na 
estrutura da proteína que são energeticamente favoráveis
Antiporte Cl- HCO3- auxilia na eliminação do CO2
O CO2 é pouco solúvel no 
plasma, mas atravessa a 
membrana plasmática. 
O bicarbonato, gerado a partir 
de CO2 nos eritrócitos, 
indiretamente atua como 
transportador do CO2 gerado 
nos tecidos, levando este até
os pulmões para eliminação, 
além de ser um ótimo tampão.
Não há gasto de energia 
(difusão facilitada) e não há
alteração do balanço de cargas 
após as trocas (antiporte)
dióxido de carbono
produzido no catabolismo
entra nos eritrócitos
bicarbonato é
dissolvido 
no plasma
dióxido de carbono
deixa o eritrócito
e é exalado
bicarbonato entra
no eritrócito a partir
do plasma
em tecidos que respiram
nos pulmões
proteína trocadora
bicarbonato-cloreto
anidrase carbônica
anidrase carbônica
e
rit
ró
c
ito
CO2 + H2O [H2CO3] H+ + HCO3-
anidrase carbônica
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• Envolve gasto energético. 
• Ocorre contra o gradiente eletroquímico. 
• Primário: utiliza diretamente a energia derivada da hidrólise de 
ATP.
• Secundário: utiliza indiretamente a energia derivada da 
hidrólise de ATP.
Transporte Ativo Tipos de Transporte Ativo
(contra o gradiente eletroquímico)
Transporte Ativo Primário Transporte Ativo Secundário
Um exemplo de antiporte com gasto de energia
Ouabaína
(inibe a Na+ K+ ATPase) 
potencial de membrana
-50 a -70mV
fluido extracelular
ou plasma
citossol
Na+ K+ ATPase (bomba Na+ K+)
O transportador se liga a 3 Na+
do interior da célula
A fosforilação
Favorece
P-EnzII
O transportador 
libera
3 Na+ para o exterior
e se liga a 2 K+ do 
exterior
desfosforilação
Favorece EnzI
O transportador libera
2 K+ no interior
interior exterior
Transportadores na absorção de glicose
A Na+K+ATPase retira Na+ da célula, com gasto de energia. A volta deste Na+ para o 
interior da célula, se dá por simporte facilitado com glicose. Este sistema consegue 
acumular glicose na célula até que sua concentração seja 9.000 vezes maior que no 
lúmen. Na outra face, GLUT2 transporta a glicose para a corrente sanguínea, por 
difusão facilitada.
simporte
Na+ glicose
movido pela alta [Na+]
extracelular
lúmen
intestinal
sangue
superfície
apical
superfície
basal
microvilosidades
glicose
Uniporte de glicose
(GLUT2 facilita efluxo
a favor do gradiente)
célula epitelial
glicose
+ 210 H2O
independente
do gradiente 
osmótico
soro caseiro
Difusão mediada por canais iônicos: O canal é regulado por portões que 
podem ser acionados por voltagem abrindo ou fechando os portões ou 
acionados por ligantes
Canais Iônicos
Ion channels fluctuate between open and closed state to 
regulate ion flow.
•Canais regulados por voltagem respondem ao potencial de membrana
•Canais regulados por ligante respondem à associação de ligantes
•Canais regulados mecanicamente respondem ao movimento
fechado
aberto
citossol
regulado por
voltagem
regulado por
ligante 
(extracelular)
regulado por
ligante 
(intracelular)
regulado
mecanicamente
Canais iônicos flutuam entre o estado aberto e fechado para regular
o fluxo de íons 
Ionóforos Móveis
O potássio (verde) é envolvido 
pela proteína valinomicina, 
capaz de atravessar a 
membrana celular. 
Valinomicina tem ação 
antibiótica por alterar o 
potencial eletroquímico das 
bactérias.
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Transporte de substâncias por fusão de membranas Endocitose (Fagocitose ou Pinocitose)
AMBIENTE EXTERNO
citoplasma
vesícula
membrana
celular
Exocitose
AMBIENTE EXTERNO
citoplasma
vesícula
membrana
celular
hipotônico hipertônico
H2O
isotônicos
Movimento da água entre meios de gradiente químico de 
água diferentes, através de uma membrana 
semipermeável, com objetivo de atingir a isotonicidade
Osmose
Pressão Força
Área=
Osmose
Água
Solução 
de NaCl
Osmose
Soluto
não 
difusível
Água
Membrana
semipermeável
Demonstração da pressão osmótica nos dois 
lados de uma membrana semi-permeável
A pressão osmótica exercida 
pelas partículas de uma 
solução é determinada pelo 
número de partículas por 
unidade de volume líquido e 
não pela massa das 
partículas.
Medição da Pressão Osmótica
Phid=µgh
Numericamente APENAS a pressão osmótica é igual à pressão hidrostática 
representada no esquema, pressão esta que faria com que o volume de solução dos 
dois lados fosse igual.
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A pressão osmótica de uma solução é a diferença de pressão que 
deve existir entre esta e o seu solvente puro para que não haja 
fluxo de solvente através de uma membrana semi-permeável.
Seu valor é dado pela equação de van´t Hoff: 
P = π = R.T.Ci, ou 
Posm = nRT/V
onde
π é expresso em unidade de pressão (Pa)
R, constante universal dos gases (8,3 J K.mol)
T, temperatura absoluta em graus Kelvin (K)
Ci, diferença de concentração de soluto disperso e impermeante
nos dois compartimentos (mol/l) 
Definição da Pressão Osmótica
1 osmol é o número de partículas de uma molécula (osm)
1 osmolar é o número de partículas por volume de solução (osM)
180 gramas de glicose (1 mol) = 1 osmol de glicose
58,5 gramas de NaCl = (1 mol) = 2 osmóis de NaCl
1 mol MgCl2 = 3 osmóis de MgCl2
Se considerarmos que o volume é 1 litro, então temos
1 osmolar de glicose
2 osmolares de NaCl
3 osmolares de MgCl2
Uma solução 3mM de NaCl e outra 6mM de uréia são isosmóticas
Como o volume varia com a temperatura, a osmolaridade também varia
Osmolaridade
Osmolalidade
Número de osmóis de uma molécula por Kg de solvente.
Logo, não varia com a temperatura, pois o volume não importa
Tonicidade
Quando duas soluções são isosmóticas e o soluto não é capaz de 
permear a membrana, estas soluções são isotônicas.
- NaCl 150mM é isosmótico e isotônico para células de mamífero
- Uréia 300mM é isosmótico e NÃO-isotônico, porque a uréia atravessa 
a membrana, tornando-se a solução hipotônica
- NaCl 300mM é hipertônico
- NaCl 100mM é hipotônico
Pergunta
Sabendo-se que uma solução 150mM de NaCl é isotônica para as células, 
avalie a tonicidade de uma solução 300mM de uréia?
Volume 
celular 
inicial
+
_
tempo
solução hipotônica
solução isotônica
solução hipertônica
a célula incha
a volume permanece
a célula murcha
Variação no volume celular em função da tonicidade da 
solução em relação à célula
Tonicidade
Pressão oncótica (pressão coloidosmótica)
Osmose
Proteínas plasmáticas
Pressão osmótica exercida pelas proteínas do plasma
Efeito de Starling = equilíbrio entre a pressão oncótica e a hidrostática
Por que logo após uma série de musculação observamos o 
aumento dos músculos treinados, que diminuem 
gradativamente com o tempo? Seria este aumento uma 
hipertrofia muscular?
Questões
Com o treinamento, há maior aporte sanguíneo nos músculos, 
fazendo com que momentaneamente a pressão hidrostática 
seja maior que a pressão oncótica, havendo extravasamento de 
líquido para o interstício (edema local)
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PHA1, Síndrome de Liddle600761γSCNN1GENaCγ
PHA1, Síndrome de Liddle (HA dominante)600760βSCNN1BENaCβ
Pseudohipoaldosteronismo tipo 1 (PHA1)600228αSCNN1AENaCα
Epilepsia gener., convulsão febril (GEFS+)600235βSCN1BSCN1B
Síndromedo QT-Longo, Arritmia 
Ventricular Idiopática
600163αSCN5ANav1.5
Paramiotonia cong., miotonia, paralisia 
periódica hipercalêmica
603967αSCN4ANav1.4
Epilepsia gener., convulsão febril e afebril182390αSCN2ANav1.2
Epilepsia gener., convulsão febril (GEFS+)182389αSCN1ANav1.1
Canais de Na+
DoençaOMIMUnid.GeneCanal
Doenças por defeitos em canais de sódio DoençaOMIMUnid.GeneCanal
Paralisia periódica604433βKCNE3KCNE3/MiRP2
Síndr. QT-Longo603796βKCNE2KCNE2/MiRP1
Síndr. QT-Longo Autossômica Dom e Rec.176261βKCNE1KCNE1/MinK/ISK
(PHHI)600509βSUR1SUR1
Hipoglicemia Hiperinsulinêmica Persistente 
da Infância (PHHI)
600937αKCNJ11Kir6.2/KATP
Síndr. QT-Longo com dismorfismo600681αKCNJ2Kir2.1/IRK/KNJ2
Síndr. de Bartter (perda sal, alcalose 
hipocalêmica)
600359αKCNJ1Kir1.1/ROMK
Síndrome QT-Longo152427αKCNH2HERG/ KCNH2
Surdez dominante603537αKCNQ4KCNQ4
Epilepsia602232αKCNQ3KCNQ3
Epilepsia602235αKCNQ2KCNQ2
Sínd. QT-Longo Autossômica Dom e Rec.192500αKCNQ1KCNQ1/KvLQT1
Ataxia episódica, mioquimia176260αKCNA1Kv1.1
Canais de K+
Doenças por defeitos em canais de potássio
DoençaOMIMUnid.GeneCanal
Taquicardia ventricular, displasia 
arritmogênica ventricular direita tipo 2
180902αRYR2RyR2
Hipertermia maligna180901αRYR1RyR1
Migrania e hemiplegia familial, ataxia
episódica, ataxia espinocerebelar tipo 6
601011αCACNA1ACav.2.1
Cegueira noturna congênita ligada ao X300110αCACNA1FCav1.4
Paralisia periódica hipocalêmica, 
hipertermia maligna
114208αCACNA1SCav1.1
Canais de Ca2+
Doenças por defeitos em canais de cálcio
Epilepsia137164γ, GABAGABRG2GABAγ2
Epilepsia mioclônica juvenil137160α, GABAGABRA1GABAα1
Doença de Startle138491α, glicinaGLRA1GLRA1
Síndrome de Bartter tipo IV606412βBSNDBarttin
Síndrome de Bartter tipo III602023αCLCNKBCIC-Kb
Osteopetrose Recessiva ou Dominante602727αCLCN7CIC-7
Proteinúria ligada ao X300008αCLCN5CIC-5
Miotonia Autossômica Recessiva ou 
Dominante
118425αCLCN1CIC-1
Fibrose Cística, Aplasia congênita dos 
vasos deferentes
602421αABCC7CFTR
Canal de Cl-
DoençaOMIMUnid.GeneCanal
Doenças por defeitos em canais de cloreto
Resumo
- Propriedades Biológicas
- Propriedades Físico-Químicas (comportamento dos lipídeos em meio aquoso)
- Modelo do Mosaico Fluido
- Fluidez da membrana (mobilidade de seus componentes lateral e verticalmente)
- Diferente composição de lipídeos entre as monocamadas, entre membranas diferentes de uma 
mesma célula e entre diferentes células
- Proteínas de membrana: Tipos (periférica e integral), modificações (glicosilação, fusão com lipídeos), 
conformação em relação à membrana (tipo I, II, III...), características gerais (hidrofobicidade, estrutura 
secundária), função (adesão, receptores, canais,....)
- Fusão de Membranas: processos em que ocorre
- Transporte através das membranas: Gasto de energia (ativo, passivo); dependência ou não de 
transportador (os 6 tipos); uniporte, simporte, antiporte. Saber exemplos.
- Osmose
- Osmolaridade, Osmolalidade, Tonicidade, Pressão Oncótica
- Patologias associadas
obrigado