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Transporte através de membranas Receptores e Princípios de Sinalização Celular A membrana plasmá>ca e a permeabilidade sele>va: • É uma barreira para a passagem de moléculas e trocas entre os meios extracelular e intracelular; • Essa barreira faz com que a célula mantenha uma concentração de solutos no citosol diferente do meio extracelular; • As células desenvolveram diferentes maneiras de transferir moléculas específicas e íons através da membrana plasmáBca; • As células uBlizam proteínas transmembrana para transportar íons inorgânicos e pequenas moléculas solúveis em água através da bicamada lipídica; • 15 a 30% das proteínas transmembrana estão envolvidas no transporte através da membrana plasmáBca. Alguns conceitos importantes: • Transportadores, ptns envolvidas no transporte de moléculas específica; • Canais, formam poros hidroNlicos através da membrana; • Alguns processos estão acoplados a uma fonte de energia; • As membranas celulares podem estocar energia através da formação de um gradiente eletroquímico. Comparando a concentração de íons do meio extracelular com o meio intracelular FICA CLARO QUE A MEMBRANA PLASMÁTICA É UMA BARREIRA SELETIVA! Table 11-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) A chave para entendermos a permeabilidade sele>va está na natureza química da membrana plasmá>ca. • Tamanho: quanto menor molécula, mais facilmente ela atravessará a bicamada lipídica; • Polaridade: as moléculas apolares tem mais facilidade de atravessar a bicamada lipídica; • Carga: moléculas dotadas de carga, como os íons, não atravessam a bicamada lipídica; • Concentração: a diferença de concentração entre os os dois lados da membrana também é importante. A permeabilidade sele>va da MP: Figure 11-1 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Existem duas classes de proteínas envolvidas com transporte através da membrana: TODAS ESTUDADAS ATÉ AGORA SÃO PROTEÍNAS MULTIPASSO Também denominadas de PROTEÍNAS CARREADORAS ou permeases. Formam verdadeiros poros hidroWlicos (aquoso) que permitem a passagem rapidamente de um grande número de moléculas, geralmente íons. Transporte passivo x Transporte a>vo • O transporte passivo ou difusão facilitada ocorre a favor do gradiente de concentração, tanto por proteínas do Bpo canal quanto por proteínas carreadoras; • Este transporte pode ser de moléculas carregadas, neste caso formará um GRADIENTE ELETROQUÍMICO através da membrana; • Mas ainda existe o transporte a>vo, que é contra o gradiente de concentração e requer energia para acontecer. Ainda existe a DIFUSÃO SIMPLES que não depende de uma proteína transportadora ou canal. O gradiente eletroquímico combina o potencial de membrana e o gradiente de concentração Proteínas carreadoras O transporte aBvo através de proteínas carreadoras pode estar associado a três fontes disBntas de energia: Figure 11-7 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) As proteínas carreadoras podem funcionar como : uniporte, simporte e anBporte. Figure 11-8 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Transporte de glicose acoplado ao transporte de Na+ -‐ TRANSPORTE ATIVO SECUNDÁRIO – co-‐transporte de Glicose e Na+, que depende diretamente da concentração de Na+ no meio extracelular; -‐ TRANSPORTE ATIVO PRIMÁRIO – bomba de Na+/K+, dependente de ATP e que mantém a concentração de Na+ extracelular alta. Transporte transcelular Figure 11-11 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Existem três classes de bombas dependentes de ATP, também conhecidas por ATPases transportadoras F-‐type = ATP sintases V-‐type (vacuolar) = bombeam H+ às custas da hidrólise de ATP em organelas como lisossomos, vesículas sinápBcas e alguns vacúolos de diferentes naturezas. Bombas de Ca2+ -‐ ATPases do Bpo P Figure 11-13b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) A bomba de Na+/K+ • A concentração de K+ é 10 a 30 vezes maior dentro da célula, enquanto que a de Na+ é o oposto; • A bomba de Na+/K+, que é um anBporte, mantém estas concentrações; • Tudo isso com hidrólise de ATP, sendo assim pertencente a família das ATPases do Bpo P; • É esta bomba que mantém o gradiente de Na+ essencial para dirigir o transporte de glicose nas células animais e também para regular o pH citosólico. Figure 11-14 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Modo de funcionamento da Bomba de Na+/K+ Figure 11-15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) • A bomba de Na+/K+ é responsável por 10% do potencial de membrana formado através da membrana plasmáBca; • Mas ela tem um papel essencial no controle da concentração de soluto dentro da célula, contribuindo fortemente para regular a osmolaridade (ou tonicidade) do citosol; • Na osmose a água se move para fora ou para dentro da célula de acordo com o seu gradiente CÉLULAS ANIMAIS CÉLULAS VEGETAIS PROTOZOÁRIOS Solução para controlar a osmolaridade intracelular AQUAPORINAS • São canais proteicos especializadospara transportar água; • Estão presentes especialmente em células que precisam rapidamente transportar água, cmo é o caso das células epiteliais do rim; • Transportam 109 moléculas de água por segundo; • As aquaporinas impedem o colapso de gradientes iônicos formados através da membrana; • Peter Agre e Roderick MacKinnon – Prêmio Nobel de Medicina de 2003. A estrutura das aquaporinas monômero Na membrana, as aquaporinas formam tetrâmeros. Canais iônicos • São poros hidroNlicos altamente seleBvos que podem se abrir e fechar rapidamente; • 100 milhões de íons por segundo podem passar através de um canal aberto; • O transporte através dos canais iônicos serão sempre do 6po passivo; • Em geral são específicos para determinados iôns inorgânicos tais como Na+, K+, Ca2+e Cl-‐, sempre a favor do gradiente de concentração. Ora aberto, ora fechado… Figure 11-20 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Diferentes esnmulos podem abrir os canais iônicos: Figure 11-21 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Mais de 100 Bpos de canais iônicos já foram descritos! O potencial de membrana e os canais vazantes de K+ • A passagem de íons através de transporte passivo é o principal fator que contribui para o potencial elétrico da membrana plasmáBca; • A membrana plasmáBca das células animais é levemente mais negaBva do lado de dentro e posiBva do lado de fora; • Isso é manBdo pelo bombeamento de 2K+ para dentro da célula, mas também porque o K+ pode entrar ou sair da célula através de canais vazantes; Numa membrana em repouso Membrana polarizada – ação de canais vazantes de K+ e também da bomba de Na+/K+ Figure 11-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) O potencial de membrana pode variar entre -‐20 mV e -‐120 mV Em bactérias… (capaz de repelir ânions e atrair cáBons) Figure 11-23a Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) -‐ Neurônios e músculos são células excitáveis, que necessitam responder rapidamente a esnmulos; -‐ Em resposta a um esnmulo, abrem rapidamente canais que permitem a passagem de grandes quanBdades de íons em um espaço de tempo curto. ALTERAÇÃO DE POTENCIAL DE MEMBRANA Potencial de ação (ou impulso nervoso) é uma onda de excitação elétrica que se propaga de uma ponta de um neurônio até outro sem interrupção a velocidades de 100 m/seg ou mais Canais iônicos dependentes de voltagem FICAM UM TEMPO FECHADO -‐ REFRATÁRIO A propagação do potencial de ação (esnmulo nervoso) ao longo do axônio de um neurônio Canais de K+ dependentes de voltagem atuam para repolarizar a membrana após a passagem do esnmulo nervoso A bainha de mielina aumenta a velocidade e eficiência da propagação do potencial de ação nas células nervosas -‐ São muito importantes nas sinapses químicas: impulso nervoso terminal nervoso aceBlcolina CANAL IÔNICO DEPENDENTE DE ACETILCOLINA CANAL DE Na+ DEPENDENTE DE VOLTAGEM CANAL DE Ca2+ DEPENDENTE DE VOLTAGEM CANAL DE Ca2+ -‐ DEPENDENTE DE Ca2+ membrana plasmáBca renculo sarcoplasmáBco REPOUSO ATIVADO Figure 11-‐39 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) O receptor de aceBlcolina Figure 11-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) A aceBlcolina é uma MOLÉCULA SINALIZADORA -‐ Proteínas -‐ Pequenos pepndeos -‐ Aminoácidos -‐ Nucleondeos -‐ Esteróides -‐ ReBnóides -‐ Derivados de ácido graxo -‐ Gases Tipo de Receptor e Onde estão Localizados A Meia Vida de uma Molécula Tempo para perder Metade de sua ABvidade -‐ Compostos RadioaBvos -‐ Hormônios -‐ Substâncias Sinalizadoras Dias, Semanas ou Anos Podem ser de milissegundos, como a ACETILCOLINA Até várias Semanas As moléculas sinalizadoras se ligam a receptores: RECEPTORES DA SUPERFÍCIE CELULAR Figure 15-‐3b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Receptor Proteico na SuperWcie Celular Membrana Plasmá>ca Molécula Sinalizadora HidroWlica Célula Alvo RECEPTORES INTRACELULARES Figure 15-‐3b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Proteína Carreadora Molécula Sinalizadora Hidrofóbica Célula Alvo Núcleo Receptor Proteico Intracelular As moléculas sinalizadoras atuam em locais disBntos: A curta DISTÂNCIA MEDIADORES LOCAIS A longa DISTÂNCIA Assim, a sinalização celular pode ser de 4 >pos: Figure 15-‐4 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) 1. DEPENDENTE DE CONTATO – sistema imune Célula Alvo Célula Sinalizadora Molécula Sinal ancorada à Membrana 2. PARÁCRINA E ainda, a AUTÓCRINA: Figure15-‐4b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) célula sinalizadora células alvo mediador local 3. SINÁPTICA – sinalização neuronal Figure 15-‐4c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) neurotransmissor célula alvo corpo celular axônio neurônio sinapse 4. ENDÓCRINA Figure 15-‐4d Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) célula endócrina célula alvo receptor célula alvo corrente sanguínea hormônio Diferenças entre as duas Velocidade Especificidade Figure 15-‐5b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Sinalização Endócrina Células Endócrinas Hormônios Corrente Sanguinea Células Alvo Sinalização Sináp>ca Células Alvo Neurotransmissor Neurônios Uma mesma molécula pode gerar respostas diferentes: Ace>lcolina Célula Muscular Cardíaca Célula Muscular Esquelé>ca Diminuição da frequência e força da contração Célula da Glândula Salivar Contração Secreção Figure 15-‐9 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) A dinâmica do processo de sinalização: Figure 15-‐6 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) RÁPIDO (de seg a min) LENTO (de min a horas) ALTERAÇÕES NA EXPRESSÃO GÊNICA ATUA DIRETAMENTE NA ATIVIDADE DE CERTAS PROTEÍNAS Função Proteica Alterada Núcleo Receptor na SuperWcie Celular Cascata Intracelular de Sinalização Síntese Proteica Alterada Alteração na Máquina Citoplasmá>ca Alteração no Comportamento Celular Molécula Sinalizadora Extracelular Os receptores intracelulares Podem estar localizados No Citoplasma No Núcleo Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) ace>lcolina terminal nervoso a>vado NO sintase a>vada difusão rápida pela membrana plasmá>ca guanilil ciclase ligada a NO RELAXAMENTO RÁPIDO célula endotelial célula muscular lisa Papel do óxido nítrico no relaxamento do músculo liso: Figure 15-‐12b Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) PRESENTE NO CITOPLASMA: No NÚCLEO: ação de hormônios esteróides Figure 15-‐13 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Que uma vez no núcleo se ligarão a receptores ina>vos: RECEPTOR INATIVO RECEPTOR ATIVO transcrição de genes alvo região do DNA de ligação ao receptor ligante proteínas co-‐a>vadoras Figure 15-‐14c Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Superfamília de receptores nucleares – Receptores órfãos Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Indução da Síntese de Proteínas da Resposta Primária Resposta Primária Resposta Secundária Proteínas da Resposta Primária A>va Genes da Resposta Secundária Proteínas da Resposta Primária Desliga Genes da Resposta Primária Hormônio Esteróide Receptor do Hormônio Esteróide Proteínas da Resposta Secundária A>vação dos Genes da Resposta Primária Figure 15-‐15 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008)
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