Membranas Biologicas e Transporte

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Membranas Biologicas e Transporte
20/05/2017
Introdução
As membranas são flexíveis, autosselantes e seletivamente permeáveis a solu-
tos permeáveis. A flexibilidade das membranas permite que a fora mude ao acompanhar
o crescimento e o movimento da célula. Com a sua capacidade de se romper e resselar,
duas membranas podem se fundir, como na exocitose, ou um compartimento envolvido
por uma única membrana pode sofrer fissão e produzir dois compartimentos selados,
como na endocitose ou na divisão celular, sem gerar grandes vazamentos através das
superfícies celulares.
As membranas não são barreiras meramente passivas. Elas incluem um ar-
ranjo de proteínas especializadas na promoção ou catalise de processos celulares.
Receptores captam sinais extracelulares e disparam mudanças moleculares na célula;
moléculas de adesão mantem células vizinhas juntas. Colisões intermoleculares são
muito mais prováveis nesse espaço bidimensional do que em um espaço tridimensi-
onal, de forma que a eficiência dos processos catalisados por enzimas organizados
dentro das membranas é muito aumentada. A adesão celular, a endocitose e a fusão
de membrana que acompanham a secreção de neurotransmissores ilustram o papel
dinâmico das proteínas de membrana.
Cada tipo de membrana tem proteínas e lipídeos característicos
A proporção relativa de proteína e lipídeo varia de acordo com o tipo da mem-
brana. A bainha de mielina consiste principalmente em lipídeos, enquanto membranas
plasmáticas de bactérias e membranas de mitocôndrias e cloroplastos, sítios de muitos
processos catalisados por enzimas, contém mais proteínas do que lipídeos.
Claramente as células tem mecanismos para controlar os tipos e as quantidades
de lipídeos de membrana que eles sintetizam, bem como para direcionar lipídeos
específicos a organelas particulares. Membranas plasmáticas, por exemplo. São enri-
quecidas com colesterol. Membranas mitocondriais contem muito pouco colesterol e
esfingolipídios, mas contem fosfatidilglicerol e cardiolipina, que são sintetizados dentro
da mitocôndria.
Todas as membranas biológicas compartilham algumas propriedades fun-
damentais
As membranas são impermeáveis para a maioria dos solutos polares ou carre-
gados, mas são permeáveis a compostos apolares. Modelo mosaico fluido para a
estrutura das membranas biológicas. Os fosfolipídios formam uma bicamada na qual
as regiões apolares das moléculas lipídicas em cada camada são orientadas para o
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centro da bicamada e seus grupos polares são orientados para fora, interagindo com
a região aquosa de cada lado da membrana. Algumas proteínas projetam-se apenas
de um lado da membrana, enquanto outras expõem seus domínios em ambos os
lados, a orientação das proteínas na bicamada é assimétrica, conferindo a membrana
uma “lateralização”: os domínios proteínas expostos em um lado da membrana são
diferentes daqueles expostos do outro lado, refletindo uma assimetria funcional. As
unidades lipídicas e proteicas individuais na membrana formam um mosaico fluido com
um padrão que, ao contrário de um mosaico de ladrilhos de cerâmica em argamassa, é
livre para mudar constantemente. O mosaico da membrana e fluido porque a maioria
das interações entre seus componentes é não covalente, deixando moléculas proteínas
e lipídeos livres para se movimentarem lateralmente no plano.
A bicamada lipídica é o elemento estrutural básico das membranas
Os glicerofosfolipideos, os esfingolipídios e os esteróis ao praticamente inso-
lúveis em agua. Quando misturados com agua eles formam espontaneamente um
agregado lipídico microscópico, agrupando-se com suas porções hidrofóbicas. Esse
agrupamento reduz a superfície hidrofóbicas exposta à agua e assim minimiza o número
de moléculas da camada de agua ordenada na interface lapídeo-agua.
Dependendo das condições exatas e da natureza dos lipídeos, três tipos de
agregados de lipídeos podem ser formados quando lipídeos anfipáticos são misturados
com agua. Micelas são estruturas esféricas que contem desde poucas dúzias ate
alguns poucos milhares de moléculas anfipáticas. Essas moléculas dispõem-se com
suas regiões hidrofóbicas agregadas na parte interna, enquanto a agua é excluída, e
com seus grupos polares hidrofílicos na superfície, em contato com a agua.
Um segundo tipo de agregado lipídico na agua é a bicamada, na qual duas
camadas monolipidicas formam uma lamina bidimensional. A formação da bicamada
é favorecida quando as áreas de secção transversal dos grupos polares e as cadeias
Ácil laterais são similares, como no caso dos glicerofosfolipideos. E dos esfingolipídios.
Os grupos polares hidrofílicos interagem com a agua em cada superfície da bicamada.
A superfície continua das vesículas elimina a exposição de regiões hidrofóbicas,
permitindo as bicamadas alcançarem o máximo de estabilidade quando em meio
aquoso. E provável que os precursores das primeiras células vivas tenham apresentado
semelhanças com as vesículas lipídicas, com seus conteúdos aquosos separados do
meio circundante por uma casca hidrofóbica.
Os lipídeos das membranas plasmáticas são distribuídos assimetricamente
entre s duas lâminas da bicamada, embora a assimetria não seja absoluta, ao contrário
das proteínas de membrana. O fluxo de componentes de membrana a partir do reticulo
endoplasmático – atravessando o aparelho de golgi e rumando a membrana plasmática
– via vesículas transportadores, é acompanhado por mudanças na composição lipídica
e disposição ao longo da membrana.
Para muitos outros tipos celulares, a exposição da fosfatidilserina na superfície
externa marca a célula para destruição por morte celular programada. O movimento de
moléculas de fosfolipídios através da bicamada é catalisado e regulado por proteínas
especificas.
Três proteínas de membrana diferem quanto as suas associações com a
membrana
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Proteínas integrais de membrana são firmemente associadas à bicamada
lipídica, sendo removíveis apenas por agentes que interferem com reações hidrofó-
bicas, como detergentes, solventes orgânicos, ou agentes desnaturantes. Proteínas
periféricas de membrana associam-se à membrana por interações eletrostáticas e
ligações de hidrogênio com domínios hidrofílicos de proteínas integrais e com grupos
polares de lipídeos de membrana. Podem ser liberados por tratamentos relativamente
brando que interferem com as interações eletrostáticas ou quebram as ligações de
hidrogênio; um agente comumente usado é o carbonato com Ph alto. Proteínas an-
fitropicas são encontradas tanto no citosol quanto em associação com membranas.
Geralmente, a associação reversível das proteínas anfitropicas com a membrana é
regulada; por exemplo, a fosforilação ou a ligação de um ligante pode forçar a uma mu-
dança conformacional na proteína, expondo o sitio de ligação da membrana inacessível
anteriormente.
Obs.: de 20% a 30% de todas as proteínas são proteínas integrais de membrana.
Lipídeos ligados covalentemente ancoram algumas proteínas de mem-
brana
Algumas proteínas de membrana contêm um ou mais lipídeos ligados covalen-
temente, que podem ser de vários tipos: ácidos graxos de cadeia longa, isoprenoides,
esteróis ou derivados de glicosilados do fosfatidilinositol. Outras interações, como a
atração iônica de resíduos de Lys carregados positivamente nas proteínas e grupos
polares carregadas negativamente nos lipídeos, provavelmente contribuem para a
estabilidade da ligação.
A ligação de um lipídeo especifico a uma proteína de membrana recém-sintetizada
tem a função de orientar a proteína para sua localização correta na membrana.
Dinâmica da membrana
Uma característica marcante de todas as membranas biológicas é a sua flexibili-
dade - sua capacidade de mudar de forma sem perder a sua integridade e vazamento.
Agora o foco será a dinâmica da membrana: os movimentos que ocorrem e as estruturas
transitórias permitidas por esses movimentos.
Grupos Ácil no interiorda bicamada estão ordenados em grais variáveis
Embora a estrutura da bicamada lipídica seja estável, suas moléculas individuais
de fosfolipídios têm muita liberdade de movimento, dependendo da temperatura e da
composição lipídica, abaixo de temperaturas fisiológicas normais, os lipídeos formam
um estado liquido ordenado (Lo) semissólido na bicamada, no qual todos os tipos
de movimento de moléculas individuais estão fortemente limitados;
Acima de temperaturas fisiológicas, cadeias individuais de hidrocarbonetos
de ácidos graxos estão em movimento constante produzido pela rotação em torno
das lições carbono-carbono das cadeias laterais Ácil longa e pela difusão lateral
de moléculas lipídicas individueis no plano da bicamada. Esse é o estado liquido
desordenado (Ld)
Em temperaturas na faixa fisiológica para mamíferos (cerca de 20 a 40 °C),
ácidos graxos saturados de cadeia longa tendem a agrupar-se em uma fase gel Lo, mas
as dobras nos ácidos graxos insaturados interferem com o agrupamento, favorecendo
o estado Ld. Esteróis (como o colesterol) apresentam efeitos paradoxais na fluidez da
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bicamada: eles interagem com fosfolipídios contendo cadeias Ácil graxas insaturadas,
compactando-as e limitando seus movimentos na bicamada. A associação de esteróis
com esfingolipídios e fosfolipídios com cadeias Ácil graxas saturadas longas tende a
fluidificar a bicamada, que sem o colesterol adotaria o estado Lo.
As células regulam sua composição lipídica para conseguir uma fluidez de
membrana constante sob várias condições de crescimento. Por exemplo, bactérias
sintetizam mais ácidos graxos insaturados e menos saturados quando cultivadas em
baixas temperaturas quando comparadas aquelas cultivadas em temperaturas mais
altas. Isso presumivelmente essencial para a função de muitas proteínas – enzimas,
transportadores e receptores – que atuam dentro da bicamada lipídica.
O movimento de lipídeos transbicamada requer catalise
Em temperaturas fisiológicas, a difusão transbicamada – ou movimento de
ponta-cabeça (flip-flop) – de uma molécula lipídica de uma lamina da bicamada para
a outra. O movimento transbicamada requer que um grupo polar ou carregado deixe
seu meio aquoso e mova-se para o interior hidrofóbico de bicamada, processo com
grande variação de energia livre positiva. Há, entretanto, situações em que tal movi-
mento e essencial. Por exemplo, no reticulo endoplasmático (RE), glicerofosfolipideos
de membrana sao sintetizados na superfície citosolica, enquanto esfingolipídios são
sintetizados ou modificados na superfície lumial. Para saírem de seu local de síntese e
atingirem seu ponto de deposição final, esses lipídeos devem passar por uma situação
de ponta-cabeça.
A disposição assimétrica de tipos lipídeos na bicamada prevê a existência de
flipases, flopases e flip-flopases, que facilitam o movimento de lipídeos transbicamada,
provendo um caminho que é energeticamente mais favorável e muito mais rápido que o
movimento não catalisado.
As flipases catalisam o translado dos aminofosfolipideos fosfatidiletanolamina e
fosfatidilserina da lamina extracelular para a citosolica, contribuindo para a distribuição
assimétrica de fosfolipídios. Manter a fosfatidilserina na lâmina extracelular e importante:
sua exposição na superfície celular externa desencadeia apoptose. Flipases também
agem no RE, onde elas movem fosfolipídios recém-sintetizados do seu local de síntese
na lamina citosolica para a lamina luminal. As flipases consomem aproximadamente
um ATP por molécula de fosfolipídio trasladada, sendo estrutural e funcionalmente
relacionadas as ATPases do tipo P.
As flopases movimentam fosfolipídios da membrana plasmática da lâmina
citosolica para a extracelular e assim, como as flipases, são dependentes de ATP. As
flopases os membros da família de transportadores ABC, em que todos transportam
ativamente substratos hidrofóbicos para fora através da membrana plasmática.
As flip-flopases são proteínas que movem quaisquer fosfolipídios da membrana
através da bicamada a favor do gradiente de concentração (da lamina com maior
concentração para a com menor concentração); sua atividade não depende de ATP. A
atividade da flip-flopase leva a uma distribuição aleatória controlada da composição
dos grupos polares nas duas faces da bicamada. A atividade aumenta muito com o
aumento da concentração de Ca2+ citosolico, que pode resultar de ativação celular,
dano celular, ou apoptose.
A curvatura da membrana e a fusão são fundamentais para muitos pro-
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cessos biológicos
Mudanças de curvatura são fundamentais para uma das mais notáveis caracte-
rísticas das membranas biológicas: a capacidade de se fundir com outras membranas
sem perder suas continuidades. Embora as membranas sejam estáveis, elas não são
estáticas. Os compartimentos membranosos se reorganizam constantemente. Exoci-
tose, endocitose, divisão celular, fusão do ovulo com espermatozoide e entrada de
vírus envolto por membrana na sua célula hospedeira envolvem a reorganização de
membrana, na qual a operação fundamental é a fusão de dois segmentos de membrana
sem perda de continuidade. Uma proteína que é intrinsecamente curva pode forçar a
curvatura da bicamada ao ligar-se nela; a energia de ligação prove uma força impulsora
para aumentar a curvatura da bicamada.
A fusão especifica de duas membranas requer que: (1) elas se reconheçam
mutuamente; (2) as suas superfícies tornem-se justapostas, o que requer a remoção
de moléculas de agua normalmente associados aos grupos polares das cabeças dos
lipídeos; (3) as estruturas das suas bicamadas sejam localmente rompidas, resultando
em fusão da lamina externa de cada membrana (hemifusao); e (4) suas bicamadas
fundam-se para formar uma bicamada continua única. A fusão que ocorre na endocitose
mediada por receptor, ou secreção regulada, também requer que (5) o processo seja
desencadeado em tempo adequado ou em resposta a um sinal especifico. Proteínas
integrais chamadas de proteínas de fusão mediam esses eventos, proporcionando
reconhecimento especifico e uma distorça local transitória da estrutura da bicamada
que favorece a fusão de membrana.
Um exemplo bem estudado de fusão de membrana é o que ocorre nas sinapses,
quando vesículas intracelulares carregadas de neurotransmissores se fundem com a
membrana plasmática.
Proteínas integrais de membrana plasmática estão envolvidas na adesão
de superfície, na sinalização e em outros processos celulares
Várias famílias de proteínas integrais na membrana plasmática proveem pontos
específicos de ligação entre células, ou entre a célula e as proteínas da matriz extrace-
lular. As integrinas são proteínas de adesão à superfície que controlam a interação
da célula com a matriz extracelular e com outras células, incluindo alguns patóge-
nos. Integrinas também carregam sinais em ambos os sentidos através da membrana
plasmática, integrando informação sobre os meios extra intracelular.
As selectinas tem domínios extracelulares que, na presença de Ca2+, ligam
polissacarídeos especifico a superfície de uma célula adjacente. As selectinas estão
presentes principalmente em vários tipos de células sanguíneas e nas células endo-
teliais que revestem o vaso sanguíneos. Elas são parte essencial do processo de
coagulação sanguínea.
Proteínas integrais de membrana participam em muitos outros processos celu-
lares. Servem de transportadores e canais iônicos e de receptores para hormônios,
neurotransmissores e fatores de crescimento. São fundamentais para a fosforilação oxi-
dativa, assim como o reconhecimento célula-célula e célula-antígeno no sistema imune.
Proteínas integrais tem papeis importantes na fusão de membranas que acompanha a
exocitose, a endocitose e a entrada de muitos tipos de vírus nas células hospedeiras.
Transporte de solutos através da membrana
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Toda célula viva deve obter matérias brutos de seu ambiente para a biossíntese
e a produçãode energia, devendo liberar os produtos de seu metabolismo para o meio.
Para o movimento transmembrana de qualquer composto polar ou íon, uma proteína
de membrana é essencial. Em alguns casos, a proteína de membrana simplesmente
facilita a difusão do soluto a favor de seu gradiente de concentração, mas o transporte
também pode ocorrer contra um gradiente de concentração, de carga elétrica, ou
ambos, e nesse caso o processo requer energia. A energia pode vir diretamente da
hidrolise de ATP ou pode ser suprida na forma de um soluto movendo-se a favor de
gradiente eletroquímico, que promove energia suficiente para conduzir outro soluto
contra seu gradiente. Os íons também podem se mover através da membrana via
canais iônicos formados por proteínas, ou eles podem ser transportados por ionoforos,
moléculas pequenas que mascaram a carga dos íons e os permitem difundir através
da bicamada lipídica.
O Transporte passivo é facilitado por proteínas de membrana
Quando dois compartimentos aquosos contendo concentrações desiguais de
um composto solúvel ou íon são separados por uma divisória permeável (membrana), o
soluto se move por difusão simples da região de maior concentração, através da mem-
brana, para a região de menor concentração, até que os dois compartimentos tenham
concentrações iguais de soluto. Quando íons de cargas opostas são separados por
uma membrana permeável, existe um gradiente elétrico transmembrana, um potencial
de membrana, Vm (expresso em milivolts). Assim, a direção na qual solutos carrega-
dos tendem a se mover espontaneamente através da membrana depende tanto do
gradiente químico (a diferença de concentração de soluto) quanto do gradiente elétrico
(Vm) através da membrana. Juntos, esses dois fatores são chamados de gradiente
eletroquímico ou potencial eletroquímico.
Entretanto, o estágio intermediário da passagem transmembrana é um estado
de alta energia comparável ao estado de transição em uma reação química catalisa
por enzima. Em ambos os casos, uma barreira de ativação deve ser superada para
alcançar o estágio intermediário. A energia de ativação para o traslado de um soluto
polar através da bicamada é tão grande que bicamadas lipídicas puras são praticamente
impermeáveis a espécies polares e carregadas no período relevante para o crescimento
e divisão celular.
Proteínas de membrana reduzem a energia de ativação para o transporte de
compostos polares e íons ao prover um caminho alternativo para solutos específicos da
membrana. Proteínas que promovem essa difusão facilitada ou transporte passivo,
não são enzimas no sentido comum; os seus “substratos” são deslocados de um com-
partimento para outro, mas não são quimicamente alterados. Proteínas de membrana
que aceleram o movimento de solutos através da membrana pela difusão facilitada são
chamadas de transportadores ou permeasses.
Assim como as enzimas, os transportadores ligam-se aos seus substratos com
especificidade estereoquimica por meio de múltiplas interações fracas não covalentes.
Os transportadores atravessam várias vezes a bicamada lipídica, formando uma vida
transmembrana revestida com cadeias laterais de aminoácidos hidrofílicos. As vias
proporcionam uma rota alternativa para uns substratos especifico mover-se através
da bicamada lipídica sem precisar dissolver-se na bicamada reduzindo a energia livre
para a difusão transmembrana. O resultado é um aumento de várias a muitas ordens
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de magnitude na velocidade de passagem transmembrana do substrato.
Transportadores e canais iônicos são fundamentalmente diferentes
Os transportadores de moléculas e íons ligam seus substratos com uma es-
pecificidade muito alta, catalisam transporte a velocidade bem abaixo dos limites da
difusão livre e são saturáveis no mesmo sentido que as enzimas: existe uma determi-
nada concentração de substrato acima da qual um posterior aumento não aumentara a
velocidade de transporte. Os canais em geral permitem movimento transmembrana
de íons em velocidades com ordens de magnitude maiores do que aquela típica dos
transportadores, velocidades que se aproximam ao limite da difusão livres (dezenas
de milhões de íons por segundo por canal). Os canais mostram geralmente alguma
especificidade para um íon, mas não são saturáveis pelo íon, ao contrário da cinética de
saturação vista em transportadores. A direção do movimento do íon por um canal iônico
é determinada pela carga do íon e pelo gradiente eletroquímico através da membrana.
Entre os transportadores, alguns simplesmente facilitam a difusão a favor do gradiente
de concentração; eles são os transportadores passivos. Transportadores ativos
podem conduzir substratos através da membrana contra um gradiente de concentração,
alguns usando energia fornecida diretamente por uma reação química (transportadores
ativos primários) e alguns acoplando o transporte ladeira acima de um substrato com o
transporte ladeira abaixo de outro (transporte secundários).
O transportador de glicose de eritrócitos controla o transporte passivo
O metabolismo produtor de energia em eritrócitos depende de um suprimento
constante de glicose do plasma sanguíneo. A glicose entra no eritrócito por difusão
facilitada por meio de um transportador especifico de glicose, a uma velocidade apro-
ximadamente 50.000 vezes maior do que a difusão transmembrana não catalisada.
O transportador de glicose do eritrócito (chamado de GLUT1 para distingui-lo do
transportador de glicose relacionado em outros tecidos).
O processo do transporte de glicose pode ser descrito por sua analogia com
uma reação enzimática na qual o “substrato” seria a glicose fora da célula (Sfora), o
“produto” seria a glicose dentro (Sdentro), e a “enzima” seria o transportador, T.
Entretanto, com o GLUT1, a glicose sempre se move a favor de seu gradiente de
concentração, que normalmente significa para dentro da célula. A glicose que entra na
célula em geral é metabolizada imediatamente, e a concentração de glicose intracelular
é, portanto, mantida baixa em relação a sua concentração no sangue.
A medida que o substrato dentro se aproxima do substrato fora, as velocidades
de entrada e saída tornam-se iguais. Tal sistema é então incapaz de acumular glicose
dentro da célula em concentrações acima daquela do meio que a circunda; ele sim-
plesmente equilibra a glicose nos dois lados da membrana muito mais rapidamente
do que ocorreria na ausência de um transportador especifico. O GLUT1 tem as três
características do transporte passivo: altas taxas de difusão a favor do gradiente de con-
centração, saturabilidade e especificada. No fígado, o GLUT2 transporta glicose para
fora dos hepatócitos quando o glicogênio no fígado é degradado para repor a glicose
sanguínea. O musculo esquelético o musculo cardíaco e o tecido adiposo tem ainda
outro transportador de glicose, o GLUT4, que é diferente em relação à sua resposta à
insulina: sua atividade aumenta quando a insulina sinaliza uma alta concentração de
glicose sanguínea, aumentando a taxa de captação de glicose pelo musculo e tecido
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adiposo.
O trocador de cloreto-bicarbonato catalisa o transporte eletroneutro de
ânions através da membrana plasmática
O eritrócito contém outro sistema de difusão facilitada, um trocador de aníon
que é essencial ao transporte de CO2 de tecidos como o musculo esquelético e fígado
para os pulmões. O CO2 eliminado a partir da respiração dos tecidos e liberado no
plasma sanguíneo entra no eritrócito, onde é convertido em bicarbonato (HCO3−) pela
enzima anidrase carbônica. Como o HCO3− é muito mais solúvel no plasma sanguíneo
do que o CO2 está via indireta aumenta a capacidade de o sangue carregar o dióxido
de carbono dos tecidos aos pulmões. Nos pulmões, o HCO3− reentra no eritrócito e é
convertido em CO2, quando então é finalmente liberado no espalho pulmonar e exalado.
Para ser efetivo, esse transporte requer um movimento muito rápido de HCO3− através
da membranado eritrócito. O trocador de cloreto-bicarbonato, aumenta a taxa de
transporte através da membrana do eritrócito em mais de um milhão de vezes. Essa
proteína e responsável por mediar o movimento simultâneo de dois aníons: para cada
íon de HCO3− que se move em uma direção, um íon Cl− se move na direção contraria,
sem transferência efetiva de carga; a troca é eletroneutra. O acoplamento entre os
movimentos de Cl− e de HCO3− é obrigatório; na ausência de do cloreto o transportador
de bicarbonato para. Em relação a isso, o trocador de aníons é típico desses sistemas
chamados de sistemas de cotransporte, que simultaneamente carregam dois solutos
através da membrana. Quando como nesse caso, os dois substratos movem-se em
direções opostas, o processo é denominado antiporte. No simporte, dois substratos
movem-se simultaneamente na mesma direção. Transportadores que carregam ape-
nas um substrato, como transportador de glicose do eritrócito, são conhecidos como
sistemas uniporte.
O transporte ativo resulta em movimento de soluto contra um gradiente
de concentração ou eletroquímico
No transporte passivo, as espécies transportadas sempre se movem a favor
de seu gradiente eletroquímico e não se acumulam além da concentração de equilíbrio.
Em contraposição. O transporte ativo resulta em acumulo de soluto acima do ponto
de equilíbrio. O transporte ativo é termodinamicamente desfavorável (endergônico) e
ocorre apenas acoplado (direta ou indiretamente) a um processo exergônico como
uma hidrolise de ATP, ou o fluxo concomitante de alguma outra espécie química a favor
de seu gradiente eletroquímico. No transporte ativo primário, o acumulo de soluto é
acoplado diretamente a uma reação química exergônica, como na conversão de ATP
a ADP + Pi. O transporte ativo secundário ocorre quando o transporte endergônico
(“morro acima”) de um soluto está acoplado a um fluxo exergônico (“morro abaixo”) de
um soluto diferente que era originalmente bombeado para cima pelo transporte ativo.
ATPases do tipo P sofrem fosforilação durante seus ciclos catalíticos
A família de transportadores ativos chamados de ATPases do tipo P são trans-
portadores de cátions que são fosforilados de forma reversível por ATP. A fosforilação
força uma mudança conformacional que é fundamental para o movimento do aníon
através da membrana. A Na+K+ -ATPase de células animais (antiporte para íons
na+K+). Esses gradientes proporcionam a força propulsora para a sinalização elétrica
dos neurônios. E a bomba de Ca2+ -ATPase soa uniportadores dos íons Ca2+ que
juntos mantem o nível citosolico de Ca2+ abaixo de um micromol.
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Obs.: o papel da bomba de sódio potássio e transportar dois potássios para
dentro da celular e três sódios para fora através da membrana plasmática.
ATPases do tipo V e do tipo F são bombas de prótons impulsionadas por
ATP
ATPases do tipo V, classe de ATPase transportadora de prótons, são respon-
sáveis por acidificarem compartimentos intracelulares em muitos organismos. ATPases
do tipo V são também responsáveis pela acidificação de lisossomos, endossomos, do
aparelho de Golgi e de vesicular secretoras em células animais.
Obs.: a estrutura e semelhante à das ATPases do tipo F.
Os transportadores ATPases do tipo F ativos catalisam a passagem transmem-
brana de prótons “morro acima” impulsionados pela hidrolise do ATP. A designação
“do tipo F” provem da identificação dessas ATPases com fatores acoplados a energia.
A organização FoF1 das bombas de prótons deve ter se desenvolvido muito precoce-
mente na evolução. Bactérias como E. coli usam uma ATPase FoF1 complexa na sua
membrana plasmática para bombear prontos para fora.
Como todas as enzimas, as ATPases do tipo F catalisam suas reações em
ambas as direções. Assim um gradiente de prótons suficientemente grande pode suprir
a energia para conduzir a reação reversa, a síntese de ATP. Quando funcionam nesse
sentido, as ATPases do tipo F são mais apropriadamente chamadas de ATP-sintases.
O gradiente de prótons necessário para conduzir a síntese de ATP é produzido por
outros tipos de bombas de prótons energizados pela oxidação do substrato ou luz solar.
Transportadores ABC usam ATP para impulsionar o transporte ativo de
uma grande variedade de substratos
Os transportadores ABC constituem uma grande família de transportadores
dependentes de ATP que bombeiam aminoácidos, peptídeos, proteínas, íons metálicos,
vários lipídeos, sais biliares e muitos compostos hidrofóbicos, incluindo fármacos,
para fora das células contra um gradiente de concentração. Este transportador é
responsável pela impressionante resistência de certos tumores a alguns fármacos
antitumoral geralmente eficazes. A especificidade deste transportador é para compostos
hidrofóbicos, incluindo por exemplo, os fármacos quimioterápicos. Ao bombear esses
fármacos para fora da célula, o transportador impede o seu acumulo no tumor e assim
bloqueia seus efeitos terapêuticos.
Gradientes iônicos provem a energia necessária para o transporte ativo
secundário
Os gradientes iônicos formados pelo transporte primário de sódio ou hidrogênio
podem prover a força propulsora para o cotransporte de outros solutos. Muitos tipos
celulares contem sistemas de transporte que acoplam o fluxo espontâneo “morro
abaixo” de íons bombeamento simultâneo “morro acima” de outro íon, açúcar ou
aminoácido.
As aquaporinas forma canais hidrofílicos transmembrana para a passa-
gem de agua
As aquaporinas (AQP) provem canais para movimentos rápidos de moléculas
de agua através de todas as membranas plasmáticas. Os eritrócitos, que incham e
murcham rapidamente em resposta a mudanças abruptas na osmolaridade extracelular
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à medida que o sangue passa pela medula renal, possuem uma alta densidade de
aquaporinas em sua membrana plasmática. A secreção de agua pelas glândulas
exócrinas que produzem suor, saliva, lagrimas ocorre por meio das aquaporinas. A
AQP2 nas células epiteliais dos ductos coletores renais é regulada pela vasopressina
(também chamado de hormônio antidiurético): mais agua é reabsorvida no rim quando
os níveis de vasopressina estiverem altos.
Canais iônicos seletivos permitem o movimento rápido de íons através
das membranas
Canais iônicos seletivos – primeiramente reconhecidos em neurônios, es-
tando também presentas na membrana plasmática de todas as células, assim como
nas membranas intracelulares em eucariotos – proporcionam outro mecanismo para
deslocar íons inorgânicos através da membrana. Canais iônicos junto com as bombas
iônicas como a Na+K+ -ATPase, determinam a permeabilidade da membrana plasmá-
tica a íons específicos e regulam a concentração citosolica de íons e o potencial de
membrana. Em neurônios, mudanças muito rápidas dna atividade dos canais iônicos
causam mudanças no potencial de membrana que carregam sinais de uma extremidade
a outra.
Os canais iônicos são complexos distintos em pelo menos três aspectos: (1) a
velocidade de fluxo pelos canais pode ser várias ordens de magnitude maior do que
o número de renovação para o transportador 107 a 108 íons/s para um canal iônico,
aproximando-se do máximo teórico para difusão irrestrita. (2) canais iônicos não são
saturáveis: as velocidades não se aproximam de um máximo em concentração alta de
substrato. (3) eles são abertos em resposta a algum evento celular. Em canais con-
trolados por ligante, a ligação de uma pequena molécula extracelular ou intracelular
força uma transição alosterica na proteína, que abre ou fecha o canal.
Canais iônicos dependentes de portão são fundamentais na função neu-
ronal
Praticamente toda a sinalização rápida entre neurônios e seus tecidos-alvo
(como musculo) é mediada pela abertura e o fechamento rápido de canais iônicos nas
membranas plasmáticas. Por exemplo, canais de sódio em membranas plasmáticas
neuronais percebem o gradiente elétrico transmembrana e respondem a mudanças por
abertura ou fechamento.Obs.: a ativação seguida da inativação é a base da sinalização neuronal.
O receptor nicotínico da acetilcolina, que atua na passagem de um sinal
elétrico de um neurônio motor para uma fibra muscular na junção neuromuscular
(sinalizando para o musculo contrair). A acetilcolina liberada pelo neurônio motor
difunde-se alguns poucos micrometros para a membrana plasmática do miocito, onde
se liga a um receptor de acetilcolina. Isso força uma mudança conformacional nos
receptores, causando a abertura de seu canal iônico. O momento resultante de íons
carregados positivamente para dentro do miocito despolariza a membrana plasmática
e desencadeia a contração.